XXIV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Исследование на тему применимости игр-тренажёров в качестве образовательных инструментов на примере игры «СканМатик», разработанной на языке программирования Python
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность: использование цифровых программ и приложений для работы и обучения – уже неотъемлемая часть нашей жизни. Ученики используют компьютеры и телефоны для просмотра школьного расписания, оценок, видеоуроков, а также для выполнения цифровых заданий для закрепления пройдённого материала.
Из моего опыта, цифровые задания в большинстве представляют собой тесты, где даны варианты ответов. В некоторых случаях их даже можно угадать, не зная тему, или легко ошибиться, если знаешь тему слишком хорошо и немного «перемудрил». Не секрет, что дома может помочь папа или выручить одноклассник.
По моему мнению, как школьницы, наиболее актуальная проблема при удалённом (через сеть Интернет) закреплении материала учениками – это реальная персональная работа конкретного ученика, т.е. отсутствие формального подхода.
Для решения этой проблемы я выдвинула предположение о том, что использование игр-тренажёров при проверке изученного материала в игровой форме позволяет сделать процесс более увлекательным и непредсказуемым в плане полученных заданий, а наличие игровых правил и условий не допускает формального подхода к решению заданий, как это может происходить при тестировании.
Для краткости, моя гипотеза – это то, что ученик с большим интересом решает задания, если они подаются как элемент игры (например, при использовании игрового тренажёра).
Исходя из гипотезы, моя цель: создать проект игры-тренажёра и проверить гипотезу с большим ли интересом ученик решает задания, если они подаются как элемент игры.
Достижение цели проекта возможно при решении следующих задач:
-
Выбор игровой механики и изучаемой образовательной дисциплины.
-
Разработка проекта игры-тренажёра на языке программирования Python.
-
Практические испытания игры-тренажёра в классе, анкетирование, проведение опроса для учителей.
-
Анализ полученных данных и формулирование вывода проекта.
Объект исследования: проект игры-тренажёра на языке программирования Python.
Предмет исследования: проверка гипотезы с большим ли интересом ученик решает задания, если они подаются как элемент игры.
Методы исследования: практические испытания игры-тренажёра в классе и проведение опроса для учителей; сбор, анализ и структурирование информации.
Новизна: использование игровой механики нонограмм в качестве инструмента для закрепления полученных знаний по математике.
Практическая значимость: увеличение интереса учеников к закреплению пройдённого материала в игровой форме, создание персональных заданий для каждого ученика для снижения формального подхода при работе с цифровыми заданиями. Данный проект можно будет использовать в учебных целях в качестве математического тренажёра.
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
1. Выбор игровой механики и изучаемой образовательной дисциплины
В качестве основной идеи я выбрала логическую головоломку «Японские кроссворды» или «Нонограммы» [3] и для простоты взята математика, как образовательная дисциплина.
Цель игры заключается в нахождении изображения, зашифрованного с помощью цифр. Игра проводится на квадратном или прямоугольном поле, разделённым на квадраты. Обозначающие количество закрашенных клеток цифры расставляются над верхней горизонтальной линией для столбцов и слева клеточного поля для строк. Сопоставляя вертикальные и горизонтальные цифры, игрок должен закрасить определённое количество клеток. После разгадывания нонограммы появляется изображение.
Первым делом я изучила сайты с представленными играми (например, https://www.nonograms.ru/)[5] и разработала математическую модель, взяв за основу двумерный список.
В качестве идеи также выступала механика, при которой горизонтальные и вертикальные числа в начале раунда будут скрыты. Чтобы их открыть, ученик должен выбрать интересующую цифру (вместо неё изображён знак вопроса) и решить несложный пример на сложение или вычитание, тем самым тренируя умения вычислять результаты. Таким образом, изученный материал на уроке, будет закрепляться учеником в ходе игры.
По наблюдениям педагогов, японские кроссворды формируют целеустремлённость, выдержку, усидчивость и внимательность [3][4].
2. Разработка проекта игры-тренажёра на языке программирования Python
Для написания программы «СканМатик» использовались:
-
язык программирования Python 3.9;
-
графический фреймворк Pygame 2.1;
-
графический редактор Krita;
-
звуковой редактор Audacity.
Разработка осуществлялась моими силами под руководством научного руководителя.
Был разработан 61 уровень с разными изображениями. Первые уровни я называю «быстрыми», в которых ученик может попробовать свои силы. Уровни несложные, в них закрашивается небольшое, геометрически правильное изображение из нескольких ячеек. Простые уровни служат обучению пользователей работе с японскими кроссвордами.
На рис. 1 и рис. 2 представлены заставка и внешний вид первого уровня игры. За знаками «?» скрыты задания, то есть математические примеры.
Рис. 1. Заставка
Рис. 2. Внешний вид первого уровня игры
Первым, что я сделала, это был редактор для составления нонограмм. В редакторе можно начертить будущее изображение, после чего получить данные для составления игровой части (рис. 3).
Рис. 3. Матрицы изображений.
Следующей задачей стало написание основной программы, к которой можно подключать матрицы изображений. Я начала с того, что написала алгоритм, который создаёт клеточное поле по размерам изображения для текущего уровня и размещает клеточное поле в центре экрана [1].
Для того, чтобы компьютер понимал, какое поле закрашено, а какое – нет, я ввела кодирование: «0» означает пустую клетку, а «1» – закрашенную. Таким образом стало возможным создать вторую, игровую матрицу (математическую модель), данные из которых отображались для пользователя [2].
В самом начале уровня игровая матрица состояла из нулей (пустые клетки), пользователь с помощью мыши мог поставить в каждой клетке либо отметку (левая кнопка мыши), либо убрать отметку (левая кнопка мыши), либо пометить клетку как неизменяемую (правая кнопка мыши).
Одним из сложных для меня моментов стало вычисление количества клеток и промежутков между ними для составления математического выражения. Например, строка, в которой идут две закрашенные подряд клетки, потом три пустые и ещё несколько закрашенных. На основе этих данных формируется математическое выражение. Обратите внимание на рис. 4. Во второй строке находится последовательность «2-1-2», где «1» – пустое поле. Написанный алгоритм сам вычисляет эти промежутки и генерирует на основе случайных чисел математические выражения (рис. 5).
Рис. 4. Не полностью собранная нонограмма (уровень 3).
Рис. 5. Пример математического выражения.
Решение проблемы расчёта пустых и закрашенных областей лежало в области логических уравнений и результатов «True» («истина») или «False» («ложь»). Компьютер сканировал каждую строку и каждый столбец заложенного в программу уровня и получал необходимые данные, после чего приступал к генерации математического выражения [1][2].
На рис. 6 показана начальная позиция, когда вычислены результаты всех выражений. По моей задумке к решению сканворда можно приступать только после указания ответов на каждое выражение.
Рис. 6. Начальная позиция с открытыми числовыми значениями.
Также в графическом редакторе «Krita» я нарисовала кнопки, для каждой из которых прорисовано два состояния: «просто кнопка» и «кнопка, над которой находится курсор мыши» (рис. 7). Нахождение курсора вычислялось по координатам, координаты мыши должны были превышать «x» и «y» угла кнопки, но быть меньше, чем x + ширина и y + высота кнопки (измерение в пикселях).
Рис. 7. Курсор мыши находится над кнопкой «Решать примеры: 60 %».
В программе предусмотрены уровни сложности: для этого существует кнопка «Решать примеры» со значениями: 30 %, 60 % и «Все». Значения указывают, сколько чисел будут скрыты за математическими выражениями. Предполагается, что для учащихся младших классов можно оставить 30 %, а для старших – «Все», то есть 100 % (рис. 8).
Рис. 8. Все числа скрыты математическими выражениями.
Управление игрой стандартное, интуитивно понятное. Вверху главного окна игры расположена строка с указанием количества ошибок, номера уровня, оставшихся подсказок и количества пройдённых уровней. В начале игры у пользователя есть 5 подсказок, но при успешном прохождении уровня подсказки увеличиваются на 1.
После того, как пользователь будет уверен, что собрал сканворд правильно, ему требуется нажать кнопку «Проверить». В случае успешной проверки откроется доступ к следующему уровню, если же проверка не пройдена, то игроку сообщится, сколько клеток ему нужно закрасить, либо сколько клеток излишне закрашены.
Алгоритм для этого очень простой: происходит «поклеточное» сравнение исходной матрицы со сканвордом и математической модели – матрицы, в которой пользователь отмечает закрашенные клетки.
На рис. 9 представлена часть кода (ссылки на библиотеки и файлы).
Рис. 9. Часть кода (ссылки к библиотекам и файлам).
Код в открытом доступе находится на GitHub:
https://github.com/Fox-Bella/nonogramms
3. Практические испытания игры-тренажёра в классе и их анализ
Применение математического тренажёра «СканМатик»: для учителей профильных предметов, учеников младшей школы и пятых классов в качестве повторения и закрепления пройдённого материала.
Метод исследования – анкетирование.
Моя цель для исследования: «понять, можно ли успешно применять игры-тренажёры по типу «СканМатик» на уроках, и интересно ли это ученикам». На основе цели я подготовила урок, который мне разрешили провести учителя, и разработала анкеты.
3.1 Испытания у учителей
Учителям проводилась индивидуальная демонстрация программы.
Главные вопросы для учителей: «Одобряете ли вы этот тренажёр в качестве учебного пособия?» и «Что, по вашему мнению, нужно добавить или убрать?»
Опрос проведён среди учителей по следующим предметам: по математике, по технологии (информатика), по английскому языку (классный руководитель) и учитель младших классов (заместитель директора по учебно-воспитательной работе). Я сделала и раздала 4 анкеты; игра была одобрена учителями со следующими предложениями:
-
необходимо сделать, чтобы игра разворачивалась на весь экран;
-
отсутствие описания правил игры (исправлено до демонстрации ученикам: добавлена кнопка «Как играть?» со всплывающим описанием);
-
рекомендации переделать некоторые слишком простые уровни, которые решались «наугад» (исправлено до демонстрации ученикам).
Тренажёр одобрен всеми учителями.
Результат исследования: выявлены недостатки игры, которые были исправлены (кроме создания полноэкранного режима, это повлечёт за собой пересчёта многих строк кода). Удобство и полезность игры подтверждены.
3.2 Испытания у учеников 1 класса
Для первоклассников взяты максимально простые вопросы: «Понравилась ли вам игра?», «Хотите ли вы применять игру на уроках математики?», «Хотите ли вы такую игру вместо домашней работы», «Было ли сложно?»
Проведён урок, объяснены правила и цель игры.
Трудность, с которой мы столкнулись: понадобились дополнительные индивидуальные объяснения, так как дети в первый раз работали с японским сканвордом. Игра детям понравилась, но изначально вызвала сложности в понимании правил. После урока проведено анкетирование (вопросы анкеты зачитывались мною) среди 7 учеников.
Отзывы положительные: 7 учеников хотели бы такую игру на уроке, 6 учеников хотели бы такую игру в качестве рекомендуемого домашнего задания (один ученик хотел быть вообще без домашнего задания), 5 учеников отозвались о том, что вначале было сложно понять правила и нужно больше лёгких уровней для тренировки.
Результат исследования: использование для первоклассников сложное в части понимания ими правил, рекомендуется подробное объяснение правил игры. Не лишним станет увеличение количества лёгких уровней. Интерес к решению простых задач при применении «СканМатик» подтверждён.
Гипотеза подтверждена.
3.3 Испытания у учеников 5 класса
Для моих одноклассников вопросы были «Нравится ли вам тренажёр?», «Хотите ли вы такую игру на уроках математики, если бы примеры для решений брались из текущего изучаемого материала?» и «Использовали ли вы такую игру как тренажёр?». Пятиклассники быстро поняли суть игры и дополнительных объяснений не потребовалось. Проведено анкетирование среди 13 учеников, из них получено 100% одобрения в качестве математического тренажёра. Полученные в анкетах замечания связаны с дизайном игры (3 ученика).
Результаты исследования: использование для в качестве математического тренажёра положительные. Возможно, стоит обратиться к профессионалам для создания дизайна «СканМатика». Интерес к решению простых задач при применении «СканМатика» подтверждён.
Гипотеза подтверждена.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Мною была разработана игра-тренажёр «СканМатик» по математике на основе нонограмм на языке программирования Python. В ней был реализован подход автоматического формирования индивидуальных заданий, т.е. математических примеров.
Исследование испытания «СканМатик» показало, что учителя и ученики положительно восприняли идею использования математического тренажёра «СканМатик» в обучении. И учителя, и ученики с удовольствием решали примеры и расшифровывали скрытые изображения.
Подтверждена гипотеза, что ученик с большим интересом решает простые примеры, если они подаются как элемент игры (например, при использовании игрового тренажёра).
Подтверждена перспективность и актуальность разработки игр-тренажёров с помощью подтверждения гипотезы повышенного интереса детей к обучению во время игр на примере математического игрового тренажёра «СканМатик».
Разработка «СканМатик» также требует следующих доработок:
-
полноэкранный режим;
-
добавление простых уровней в начале игры для первоклассников и добавление более сложных математических примеров для пятиклассников;
-
создание более профессионального и красочного интерфейса (дизайн).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Вордерман К. и др. Программирование для детей: Иллюстрированное руководство по языкам Scratch и Python // Манн, Иванов и Фербер, 2017, С. 224.
2. Пэйн Б. Python для детей и родителей // Эксмо, 2017, С. 352.
3. Японский кроссворд, как средство активизации познавательной деятельности детей, 2022,С.1.:https://infourok.ru/yaponskiy_krossvord_kak_sredstvo_aktivizacii_poznavatelnoy_deyatelnosti_detey.-429324.htm.
4. Авторская программа «Мир японских кроссвордов» для детей дошкольного возраста, 2016, С.1: https://www.prodlenka.org/metodicheskie-razrabotki/180874-avtorskaja-programma-mir-japonskih-krossvordo.
5. Сайт с японскими кроссвордами https://www.nonograms.ru/.