Diagnostika_a_rozvoj_informatickeho_mysleni_na_zakladnich_skolach

Diagnostika a rozvoj informatického myšlení na základních školách v kontextu alternativních metod výuky matematiky

Lucie Bryndová Milan Klement Květoslav Bártek

Univerzita Palackého v Olomouci Pedagogická fakulta

Diagnostika a rozvoj informatického myšlení na základních školách v kontextu alternativních metod výuky matematiky

Lucie Bryndová, Milan Klement, Květoslav Bártek

Olomouc 2024

Recenzovali: prof. PaedDr. Jarmila Honzíková, Ph.D. (PdF ZČU Plzeň, ČR) doc. PaedDr. Ludvík Eger, CSc. (FE ZČU Plzeň, ČR)

Publikace vznikla na základě řešení projektu GFD_PdF_2023_01: Výzkum vlivu alternativních metod výuky matematiky na rozvoj úrovně informatického myšlení a příbuzných výpočetních konceptů u žáků základních škol, řešeného v letech 2023 až 2024 na Pedagogické fakultě Univerzity Palackého Olomouc.

Neoprávněné užití tohoto díla je porušením autorských práv a může zakládat občanskoprávní, správněprávní, popř. trestněprávní odpovědnost.

1. vydání © Lucie Bryndová, Milan Klement, Květoslav Bártek, 2024 © Univerzita Palackého v Olomouci, 2024 DOI: 10.5507/pdf.24.24465159 ISBN 978-80-244-6515-9 (print) ISBN 978-80-244-6516-6 (online: iPDF)

Obsah

Úvodní slovo

9

1

Informatické myšlení a jeho rozvoj na základních školách

14

1.1

Cesta k vymezení konceptu informatického myšlení

16

1.2

Historie diskusí o informatickém myšlení v oblasti vzdělávání

18

1.2.1 Multidimenzionální koncepce informatického myšlení

21

1.2.2 Výpočetní pojmy, postupy a perspektivy

24

1.3

Informatické myšlení v Česku

28

1.4

Charakteristika výuky informatiky a příbuzných předmětů v tuzemsku

29

1.5 Vývoj přístupu k informatickému myšlení v české legislativě

31

1.6

Současná podoba informatického myšlení v rámci legislativy

35

2

Nástroje pro rozvoj informatického myšlení

38

2.1

Nástroje pro realizaci výuky algoritmizace a programování

40

2.1.1 Scratch

40

2.1.2 BYOB/Snap!

41

2.1.3 Blockly

42

2.1.4 MakeCode

43

2.1.5 Python

44

2.1.6 Logo

45

2.1.7 Baltík

47

2.1.8 Baltie 4 C#

48

5

2.2

50

2.2.1 Robotická hračka Bee-Bot

50

2.2.2 Robotická hračka Blue-Bot

51

2.2.3 Ozobot BIT

52

2.2.4 LEGO® Mindstorms®

52

2.2.5 LEGO® SPIKE Prime

54

2.2.6 VEX

55

2.2.7 FisherTechnik Robotics

56

2.2.8 mBot

56

2.2.9 BitBeam

58

2.2.10 BBC micro:bit

59

2.2.11 Arduino

60

2.2.12 Stavebnice MERKUR

61

2.2.13 Dron Ryze Tello

62

2.3

Edukační robotika z pohledu žáků základních škol

63

2.4

Dílčí shrnutí

70

3

Možnosti diagnostiky informatického myšlení pomocí cíleného testování

72

3.1

Teorie didaktických testů v kontextu informatického myšlení

73

3.2

Standardizace testů a její požadavky

74

3.3

Testování rozvoje informatického myšlení ve světě a v České republice

76

3.4

Typy testování úrovně informatického myšlení žáků

77

3.5

Meze testování informatického myšlení

80

3.6

Dílčí shrnutí

86

4

Konstrukce, ověření a standardizace diagnostického nástroje

87

Expertní posouzení dimenzí informatického myšlení v rámci navrhovaných úloh

89

4.2

Testovací vzorky jednotlivých fází testu

93

4.3

Ověření vlastností první verze nástroje

94

4.4

Ověření vlastností finální verze nástroje

96

4.1

6

Nástroje pro realizaci výuky edukační robotiky

4.5

Standardizace testu, normalita dat a posouzení celkových výsledků

4.5.1 Percentilová škála

100 106

4.6

Úroveň informatického myšlení u žáků a klasifikační standard pro didaktický test

108

4.7

Analýza zjištěných výsledků s ohledem na Hejného metodu a „klasickou“ metodu výuky matematiky

110

5

Alternativní metody výuky matematiky

114

5.1

Obecné principy rozvoje myšlení žáků v jednotlivých systémech

115

5.2

Montessori pedagogika a výuka matematiky

117

5.3

Daltonský plán

119

5.4

Waldorfská škola

121

5.5

Hejného metoda

122

5.5.1 Výuka matematiky podle Hejného

123

5.5.2 Propojení výuky matematiky a informatiky prostřednictvím Hejného metody

124

5.5.3 Hejného metoda výuky matematiky v mezinárodním výzkumu TIMSS

126

6

Vliv alternativních metod výuky matematiky na rozvoj informatického myšlení

128

6.1

Charakteristika výzkumného vzorku šetření vlivu a souvislosti metody výuky matematiky na rozvoj informatického myšlení

129

6.2

Použité výzkumné metody

130

6.2.1 Interpretace zjištěných hodnot (W = 0,974069; p-hodnota = 0,000000)

131

6.2.2 Interpretace výsledku Lillieforsova testu

132

6.2.3 Dílčí závěr vyplývající s provedených testů

133

6.3

Analýza výsledků šetření

134

6.4

Diskuse zjištěných výsledků

145

Závěr

147

7

8

Seznam použité literatury a informačních zdrojů

151

Anotace

160

Annotation

162

Úvodní slovo

Implementace informatického myšlení (z anglického computatio­ nal thinking) do českého národního kurikula je v současnosti jednou z velkých výzev, kterou se pedagogická odborná veřejnost za­bývá, a to nejen v souvislosti s velkou revizí Rámcových vzdělávacích programů pro základní vzdělávání. V pedagogickém diskurzu infor­matické myšlení představuje soubor kognitivních schopností, dovedností a přístupů k analýze a řešení komplexního problému.

V tuzemském prostředí představuje cílený rozvoj informatického myšlení zcela nový konstrukt, který nejen mění vlastní podstatu dosavadního přístupu k obsahu informatických předmětů na základních školách, ale který národní kurikulum základního vzdělávání posouvá do nové kapitoly „moderní“ vzdělávací politiky, jež reflektuje rapidní technologický vývoj lidské společnosti.

Rozvoj informatického myšlení byl do českého Rámcového vzdě­ lávacího programu pro základní vzdělávání zaveden v roce 2021, 1 při­čemž povinnost začít vyučovat na 1. stupni podle inovovaného školního vzdělávacího plánu nabyla platnosti 1. září 2023. Zavádění takových změn do kurikulárního systému však otevírá celou řadu otázek, které se týkají praktického zařazení rozvoje informatického myšlení u žáků do výuky. Mezi ně patří např. materiální, ekonomická nebo kvalifikační připravenost škol, metodiků, ale i samotných pedagogů. V reakci na tuto potřebu byla minulých letech v České republice

Viz stránky Národního konventu o vzdělávání spravované Ministerstvem školství, mládeže a tělovýchovy (Dostupné z: https://www.edu.cz/rvp-ramcove-vzdelavaci-programy/ramcovy-vzdelavacici-program-pro-zakladni-vzdelavani-rvp-zv/).

1

9

realizována řada projektů2, které se zabývaly právě vývojem metodik a dalších podpůrných materiálů pro rozvoj informatického myšlení a přípravou pedagogů na nadcházející revizi Rámcového vzdělávacího programu pro základní vzdělávání. Ačkoliv byla příprava implementace rozvoje informatického myšlení žáků jedním z prioritních témat řešených Ministerstvem školství, mládeže a tělovýchovy, jak je zjevné z dokumentů vzdělávacích politik poslední dekády3, samotná reflexe úrovně tohoto rozvoje u žáků zůstala v rámci tuzemských výzkumů poměrně podhodnocena. Proto v současnosti v České republice nejsou k dispozici veřejné výsledky výzkumných aktivit zabývajících se diagnostikou úrovně rozvoje informatického myšlení u žáků a studentů základních ani středních škol.

Právě potřeba identifikovat, popsat, analyzovat a reflektovat pokrok rozvoje žáka je jedním ze základních kamenů vzdělávacího procesu. I z tohoto důvodu je diagnostika rozvoje informatického myšlení u žáků jedním ze stěžejních témat světové odborné diskuse.

Didaktické testování informatického myšlení přináší možnost popsat skutečný stav znalostí a dovedností žáka v této oblasti a umožňuje následně nastavit další postupy pro jeho rozvoj tak, aby byl vy­užit celý jeho potenciál. Tento faktor představuje základní východisko této monografie, která reaguje na současný stav metodologie rozvoje informatického myšlení a zabývá se diagnostikou úrovně tohoto rozvoje na základních školách v České republice. V současnosti totiž neexistuje tuzemský standard, jenž by vymezoval kýžený rozvoj žáků v této oblasti nebo nastavoval minimální úroveň rozvoje informatického myšlení, kterou by měl žák mít.

Koncepce informatického myšlení je nejednotná i napříč světo­ vými kurikuly, s čímž souvisí i rozdílné přístupy k implementaci jeho cíleného rozvoje ve školách. Absence uznávané exaktní definice vedla i v českém prostředí k řadě problémů s implementací tohoto způsobu myšlení do vzdělávacího procesu, a přestože v současnosti směřujeme k jasnějšímu vymezení informatického myšlení, stále jej obklopuje řada prekonceptů. Nabízí se tedy otázka, co přesně je tedy Mezi tyto projekty patřily např. projekty PRIM (Dostupné z: http://www.imysleni. cz/), Spomocník (Dostupné z: https://spomocnik.rvp.cz/), Albus (Dostupné z: https:// www.edu.cz/digitalizujeme/albus/) nebo nově NPO 3.1 DIGI (Dostupné z: https://www. edu.cz/digitalizujeme/npi/).

2

Viz Strategie vzdělávací politiky České republiky do roku 2020 a Strategie vzdělávací politiky ČR do roku 2030+ (https://www.msmt.cz/vzdelavani/skolstvi-v-cr/strategie-2030).

3

10

informatické myšlení v kontextu základního vzdělávání v České republice? Jak můžeme jeho rozvoj diagnostikovat a jaká je běžná úroveň informatického myšlení u žáků? Nalezení odpovědí na tyto otázky je zcela stěžejní pro další vývoj výuky informatiky na tuzemských základních školách.

Charakteristika monografie Tato monografie je zaměřena na problematiku akceptace změny kurikula informatických předmětů směrem k rozvoji informatického myšlení, a to z pohledu žáků 2. stupně základních škol. Sumarizuje tak dílčí vědecko-výzkumné aktivity autorského kolektivu, které se zaměřují na problematiku vzdělávacího obsahu v rámci informaticky zaměřených předmětů, s přesahem do oblasti netradičních vzdělávacích přístupů a integruje je do podoby komplexního výzkumu zaměřeného na možnosti a limity zavádění nového kurikula do edukačního procesu. Součástí těchto aktivit je i problematika výzkumu možností zavedení povinného tematického celku algoritmizace a programování jakožto jednoho z důležitých pilířů rozvoje informatického myšlení. Výuka algoritmizace a programování má totiž svůj významný vliv na rozvoj logického, sekvenčního a abstraktního myšlení, a možná proto je programování mnoha žáky, ale i učiteli vní­máno jako náročné a určené pouze pro hrstku výjimečných jedinců. Nicméně zahraniční i tuzemské výzkumy prokázaly nezbytnost a nepopiratelnou přínosnost tohoto tematického celku pro rozvoj kompetencí žáků v oblasti využití informačních a komunikačních technologií, a to i s přesahem do řešení „běžných“ životních situací, což je také nedílnou součástí inovačních snah zakotvených ve Strategii digitálního vzdělávání do roku 2030+.

Jak z uvedeného výčtu vyplývá, oblasti podmínek a problémů, kterými se monografie zabývá nebo s ní souvisí, jsou sice široké, ale pro rozvoj moderních způsobů vzdělávání, založených na rozvoji infor­matického myšlení, důležité. Návaznost na „klasické“, ale i nové pedagogické teorie i s přesahem do didaktických zásad je pro celý proces zavádění nového kurikula informatických předmětů nezbytná, a proto jim je věnován patřičný prostor. Domníváme se totiž, že na základě jejich studia či popisu jejich uplatnění v praxi může zpětně dojít k obohacení pedagogické teorie, a to nejen v oblasti tvorby 11

vzdělávacího obsahu informatických předmětů. Mezi další podněty pro další bádání tak patří i prozkoumání souvislosti mezi alternativními metodami výuky matematiky, kam spadá i tzv. Hejného metoda, a úrovní rozvoje informatického myšlení žáků. Této problematice se v současnosti věnujeme v rámci projektu GFD_PdF_2023_01: Výzkum vlivu alternativních metod výuky matematiky na rozvoj úrovně informatického myšlení a příbuzných výpočetních konceptů u žáků základních škol. V rámci tohoto projektu jsme již publikovali článek Possibilities Of Diagnosing The Level Of Development Of Students’ Computational Thinking And The Influence Of Alternative Methods Of Teaching Mathematics On Their Results (Bryndová, Bártek, Klement, 2023) a tato monografie naše zjištění dále prohlubuje.

Tyto výsledky naznačují, že v současném školském systému potenciálně existuje dosud opomíjená oblast mezipředmětového rozvoje informatického myšlení. Mezioborový rozvoj informatického myšlení je přímo podporován jeho původní koncepcí, která ho vymezuje jako moderní kompetenci k řešení problémů s použitím postupů a metod, které jsou primárně prominentní v oblasti informatiky a výpočetních technologií, ale nabízí využití nad jejich rámec (Wing, 2014). V kontextu základního vzdělávání je tedy možné informatické myšlení chápat jako internalizaci určité základní znalostní struktury založené na zapojení poznávacího procesu žáka či studenta, je­jíž využití má uplatnění v práci s moderními informačními a komunikačními technologiemi. V minulosti byla provedena řada pokusů o specifikaci konkrétních a exaktně měřitelných složek, které informatické myšlení jako koncepce zahrnuje, z nichž nejznámější jsou oblasti informatického myšlení vymezené Evropskou komisí jako abstrakce, generalizace, modelace, dekompozice, algoritmizace a evaluace procesu (CSTA&ISTE, 2011). Podobná východiska pro své postupy rozvoje využívá i Hejného metoda (Hejný, Kuřina, 2009), která se ve své podstatě zaměřuje na zkoumání vztahů mezi nástroji a postupy, jež vzdělávaný používá při budování svých učebních sítí (Downes, 2012). Hejný vychází ve své metodice z koncepce konektivismu a modelu mechanismu kognitivního procesu, který je založený na obecném modelu konstrukce znalostí. Jeho metoda přistupuje k učení jako k procesu aktivní konstrukce znalostí žákem či studentem v interaktivním učebním prostředí, tedy jako k procesu, během něhož se nutně rozvíjí mechanismy konstrukce nového poznatku

12

a komplexního řešení problému, které jsou zároveň klíčovými částmi roz­voje informatického myšlení.

V současnosti nám není znám žádný cílený výzkum či studie zabý­vající se problematikou rozvoje informatického myšlení u žáků s různými metodami výuky matematiky. Stejně tak současná verze zmíněného existujícího výzkumného nástroje není zaměřena na determinaci rozdílu mezi žáky vyučovanými pomocí Hejného metody a žáky vyučovanými pomocí klasické matematiky. Ústředním tématem předložené monografie je tedy problematiku vlivu Hejného metody výuky matematiky na rozvoj informatického myšlení komplexně analyzovat a popsat pomocí výzkumného šetření na základních školách v ČR. Struktura monografie byla tedy konstituována tak, aby čtenáři poskytla ucelený vhled do problematiky inovace kurikula informatických předmětů v podmínkách české vzdělávací soustavy, a to s přesahem do problematiky plánování, návrhu a provedení pedagogického výzkumu za využití kvantitativních a multidimenzionálních statistických metod. Proto věříme, že Vás tato publikace zaujme a poskytne Vám nové podněty či informace, které využijete ve své další práci.

Za autorský kolektiv Lucie Bryndová

13

1 1

Informatické myšlení a jeho rozvoj na základních školách

Výuka informatiky a příbuzných informatických předmětů se v mo­derní společnosti stává jednou ze stěžejních součástí moderního vzdělávacího systému. Význam tohoto vzdělávání je v globálním měřítku srovnatelný s předměty rozvíjejícími základní klíčové kompetence (NÚV, 20114; MŠMT, 20225), které jsou důležité pro osobní rozvoj jedince, jeho aktivní zapojení do společnosti a budoucí uplatnění v životě (Lessner, 2014). Rapidní rozvoj digitálních a výpočetních technologií, globální rozšíření telekomunikační infrastruktury a její dostupnost, modernizace a automatizace průmyslu a další aspekty tzv. „informatizace společnosti“ ovlivňují v současnosti všechny aspekty společenského života (Gates, 1997; Tapscott, 1998).

V reakci na tento vývojový trend bylo v oblasti pedagogiky experty na vzdělávání otevřeno téma cíleného rozvoje kompetencí, které se pojí s využíváním a ovládáním moderních informačních a komunikačních technologií (Perlis, 1962; Wing, 2006; CSTA&ISTE, 2011; Evropská komise, 2020). V současné době je prioritou vzdělávání v oblasti informatiky právě zavádění takové výuky, která smě­řuje k rozvoji schopností aktivního a kreativního využívání moderních informačních a komunikačních technologií (MŠMT, 2021b). Tyto schopnosti mají umožnit žákům využít celkový potenciál moderních technologií k řešení problémů a automatizaci konkrétních procesů a rozvinout u nich schopnost adaptace na technologie, které teprve budou

Viz Stručné vymezení digitální gramotnosti a informatického myšlení (Dostupné z: https://archiv-nuv.npi.cz/t/strucne-vymezeni-digitalni-gramotnosti-a-informatickeho. html).

4

Viz Klíčové kompetence v základním vzdělávání (Dostupné z: htt ps://www.msmt.cz/ file/58196/).

5

14

do společnosti v budoucnu implementovány (Wing, 2006; MŠMT, 2014b).

Základní premisou pro zapojení cíleného rozvoje informatického myšlení v podmínkách základního vzdělávání (primární a nižší sekundární stupeň vzdělávání) je skutečnost, že v rámci soudobých společenských potřeb je nutné koncipovat výuku tak, aby rozvíjela ty kompetence, které nebudou směřovat k pouhému používání informačních technologií na pasivní, uživatelské úrovni (CSTA&ISTE, 2011; Rambousek, 2013). Je třeba zajistit, aby absolventovi byla nabídnuta možnost konkurenceschopnosti v moderní společnosti charakterizované neustálým rozvojem technologií, a to zejména v oblasti informatiky a digitálních technologií, kde stoupající nároky na obsluhu nových zařízení a aplikací ovlivňují trh vysokou rychlostí (NÚV, 2018; MŠMT, 2014b).

Potřeba rozvoje informatických a digitálních kompetencí v rámci základního vzdělávání je dlouhodobě považována za jednu z hlavních priorit vzdělávání v Evropě i mimo ni (Evropská komise, 2020; Ala-Mutka et al., 2008). Přesun zájmů národních kurikul k integraci principů takové výuky, která povede žáky k aktivnímu využití digitál­ních a informačních technologií, a ne k pouhému konzumování digitálního obsahu, je tedy v současné době hlavní strategií vzdělávacích politik po celém světě, a to spolu s rozvojem klíčových kom­petencí, jako jsou kritické a tvůrčí myšlení, a dalších schopností efektivně řešit problémy. V tomto kontextu se stále častěji objevuje termín „informatické myšlení“ z anglického „computational thinking“. Tato koncepce nabyla světového významu v minulém desetiletí (Lessner, 2014) a reflektuje potřebu adaptace lidské populace na novou technologickou éru založenou na integraci informačních technologií do všech oblastí života.

Informatické myšlení představuje novou klíčovou dovednost porozumění a schopnost využívání postupů, principů a metod k řešení problémů. Využívá k tomu postupy a koncepty, které jsou známé právě z moderních výpočetních či digitálních technologií. Jedná se o způsob přístupu k problému bez ohledu na jeho komplexitu či nejas­nost, o schopnost tento problém analyzovat, syntetizovat či zobec­nit a následně jej efektivně řešit pomocí konkrétní strategie, dále pak o schopnost toto řešení zaznamenat srozumitelným a univerzálním způsobem, který umožňuje strojové řešení tohoto

15

problému. Někteří autoři dokonce informatické myšlení vymezují jako „schopnost myslet jako informatik“ (Wing, 2006).

Problematika zavedení cíleného rozvoje informatického myšlení do národních kurikul je v posledním desetiletí akcentovaným tématem mezi odborníky, kteří se již řadu let zabývají možnostmi změn celkové koncepce výuky v rámci základního vzdělávání tak, aby odpovídalo nárokům kladeným na jedince moderní digitální společnosti. Od roku 2006, kdy Jeannette Marie Wing poprvé představila své vymezení informatického myšlení, byla tato problematika diskutována na řadě summitů a stala se klíčovým vzdělávacím cílem mnoha organizací a federací (WSIS, ACM, IFIP, EC). Obzvláště v zahraničí se stala hlavním trendem v klíčových kurikulárních revizích, jež se datují až k roku 2012 (The Royal Society, 2012).

1.1 Cesta k vymezení konceptu informatického myšlení Implementace informatického myšlení v podmínkách vzdělávání je v současnosti jedním z nejvíce diskutovaných pojmů v rámci didaktiky informatiky, a to v tuzemském i mezinárodním kontextu. Ačkoliv prozatím ani přední odborníci nedosáhli jednotného konsenzu, který by vymezil jednotný koncept informatického myšlení, je nutné jej chápat jako jeden z nejvýznamnějších diskurzů moderní didaktiky informatiky. Informatické myšlení v praktické aplikaci do výuky zaujímá podobně významné místo jako kritické myšlení nebo jakákoliv další forma klíčové kompetence, kterou by měl absolvent základního vzdělávání disponovat.

Koncepce informatického myšlení, stejně jako potřeba jeho adresování v rámci základního vzdělávání, vychází z neustále se zrychlujícího technologického rozvoje, který přinesl mnoho radikálních změn ve všech oblastech života a ovlivnil fungování společnosti v jejím samotném principu. Rozšiřující se dosah digitálního prostoru a technologické inovace vedoucí k modernizaci průmyslu, obchodu a běžného života daly vzniknout v rámci vzdělávání množství no­vých pojmů souvisejících s digitálními a informačními technologiemi a jejich aplikacemi. Jedním z nich bylo právě informatické

16