На рынке образовательных услуг существует множество программных продуктов такого назначения [5, 6]. Однако, по тем или иным причинам, они не всегда доступны школьному учителю или не отвечают его запросам. Таким образом, для достижения результата обучения оптимальным образом учителю необходимо находить компромисс в выборе мультимедийного учебно-методического средства.

В тоже время современный учитель должен владеть базовыми информационными технологиями обеспечения учебного процесса [7]. Учителя математики, физики, а информатики так и вовсе непременно находятся в более выгодном положении относительно педагогов другого профиля. Следует учитывать, что в педагогических вузах на сегодняшний день этих учителей-предметников, как правило, готовят сразу по двум направлениям – «Математика и информатика» или «Физика и информатика». Исходя из этого, все они должны быть готовы применять на практике свои познания для разработки собственных программных продуктов сопровождения образовательного процесса.

Рассмотрим особенности разработки простейших учебно-методических мультимедийных проектов. Навыки создания такого рода программ современные учителя, как правило, приобретают еще на стадии обучения в вузе в курсах по программированию или во время учебных вычислительных практик [8]. Языком программирования подобных оболочек может служить любой язык. Специфика же вузовского обучения и обучения информатике в школе определяет в качестве использования визуальной среды программирования – язык Delphi или Lazarus [9]. Обе эти программные среды основаны на языке программирования Object Pascal. Первая из них является платной и более полной с точки зрения инструментария и ресурсных возможностей, вторая – бесплатна и не включает ряд компонент программирования. С позиций проектирования простейших учебно-методических мультимедийных проектов потенциал данных сред одинаков.

Итак, проанализируем на примере проекта «В помощь школьнику» специфику разработки подобных учебно-методических мультимедийных сред средствами языка программирования Lazarus. Остановимся подробно на содержательных и программных особенностях реализации данного проекта.

Стартовая форма проекта представляет собой окно, в области которого расположен ряд интерактивных кнопок (рис. 1). На ней представлены такие кнопки как «Формулы», «Калькулятор», «Календарь», «Словарь», «Расписание», «Гимнастика» и «Игра». Название дано в соответствии с содержанием вызываемого по нажатию на кнопку раздела программы. Количество и направленность кнопок в других проектах может быть и иной. Также нередко в более объемных программных продуктах бывает целесообразнее и удобнее организовать навигацию с помощью меню. В данном случае кнопки на форме сразу акцентируют внимание пользователя на содержимом программы.

Рисунок 1 – Проект «В помощь школьнику»

Кнопка «Формулы» открывает вспомогательную форму (рис. 2), на которой расположены кнопки «Алгебраические формулы» и «Геометрические формулы», а также кнопка возврата на основную форму «Меню».

Рисунок 2 – Форма «Формулы»

Раздел «Алгебраические формулы» содержит основные формулы по алгебре за курс средней школы, которые тематически объединены в пять групп (рис. 3). Они включают формулы сокращенного умножения, формулы корней квадратного уравнения, формулу разложения квадратного трехчлена на множители и ряд других формул.

Рисунок 3 – Форма «Алгебраические формулы»

На форме также есть кнопка «Решение уравнений», нажав которую можно перейти на одноименную форму (рис. 4). На этой форме можно выбрать вид уравнения – квадратное или линейное, ввести его коэффициенты и посмотреть его решение.

Рисунок 4 – Форма «Решение уравнений»

Раздел «Геометрические формулы» содержит основные теоремы и формулы геометрии средней школы. Они тематически объединены в одиннадцать групп (рис. 5). Так, например, можно посмотреть теоремы Пифагора и Фалеса, тригонометрические формулы и формулы площадей геометрических фигур.

Рисунок 5 – Форма «Геометрические формулы»

На форме есть кнопка «Задача на построение», нажатие которой позволяет пошагово посмотреть построение центра вписанной в треугольник окружности циркулем и линейкой (рис. 6).

Рисунок 6 – Форма «Задача на построение»

Программная реализация взаимодействия данных форм друг с другом и отображения учебного материала включала следующие этапы. Во-первых, необходимо создать в соответствии с количеством кнопок на каждой форме процедуры, которые по щелчку на кнопке открывают нужную форму и делают ее активной. Во-вторых, следовало на каждой форме разместить текстовые либо графические поля для отображения текста и формул. В-третьих, отдельно нужно было запрограммировать процедуры решения уравнений и задачи на построение. Первая из них обрабатывает данные полей Edit, расположенные на форме «Решение уравнений», и выводит результаты вычислений в поле Memo. Вторая из процедур по щелчку на объекте Static Text, содержащем текст комментария, последовательно отображает на панелях формы Panel объекты-изображения типа Image.

Кнопка «Калькулятор» показывает форму с простейшим калькулятором (рис. 7). В окне калькулятора можно выполнять арифметические действия над числами, возводить числа в степень, вычислять значения простейших тригонометрических функций и факториал натурального числа.

Рисунок 7 – Форма «Калькулятор»

Для организации вычислений на форме создано поле Memo. В нем с помощью свойства Text отображаются вводимые числовые значения и результаты производимых вычислений. Кнопки формы заданы как объект BitBtn. Для каждой из них прописана в программном коде отдельная процедура, которая по щелчку мыши осуществляет закрепленное за кнопкой действие.

Нажатие на кнопке «Календарь» главной формы проекта открывает календарь-ежедневник (рис. 8). На открывшейся форме слева показан календарь на год, начиная с текущего месяца. Текущая дата отображена внизу формы, а в календаре этот день обведен красным цветом. С помощью кнопок навигации «Влево» и «Вправо» календарь можно пролистывать назад и вперед. На форме справа от календаря открыто поле Memo для записей в ежедневник. Запись осуществляется на дату, отображаемую в поле Edit, расположенную над записями ежедневника. Дату в это поле можно ввести либо с клавиатуры, либо двойным щелчком по ней в календаре. Сохранить записи в ежедневнике, можно зайдя в меню и выполнив команду «Сохранить». Для просмотра записей в ежедневнике на выбранное число следует нажать кнопку «Открыть» на форме рядом с окном даты. В главном меню формы «Калькулятор» также есть пункты «Новый» и «Открыть» для создания нового и открытия уже имеющегося ежедневника. Диалог при выборе данных пунктов меню объекта MainMenu организован с помощью объектов SaveDialog и OpenDialog.

Рисунок 8 – Форма «Календарь»

При нажатии на кнопке «Словарь» открывается одноименная форма, содержащая словарь математических терминов (рис. 9). Описание терминов представлено в поле RichEdit в алфавитном порядке. В тексте сделаны метки в виде заглавных букв русского алфавита. На заднем фоне формы с помощью объекта Image расположена картинка, иллюстрирующая словарь. Поверх нее слева на форме находятся кнопки с буквами русского алфавита. Каждая из них организована как объект Button. Щелчок мышью на кнопке осуществляет переход на метку поля RichEdit, соответствующей заглавной букве в файле с расширением rtf.

Рисунок 9 – Форма «Словарь»

Кнопка «Расписание» служит для просмотра и редактирования расписания уроков на неделю. На форме «Расписание» (рис. 10) на заднем фоне расположено изображение с незаполненным расписанием уроков. Для каждого урока подготовлено собственное поле с помощью объекта Label для отображения его названия.

Рисунок 10 – Форма «Расписание уроков»

Возле названия дней недели на изображении помещены шесть кнопок с помощью объекта BitBtn. На кнопках для привлечения внимания помещены восклицательные знаки. Нажатие кнопки приводит к открытию формы для редактирования расписания (рис. 11). Учащийся с клавиатуры может набрать новое расписание на выбранный день и сохранить его нажатием на одноименную кнопку формы.

Рисунок 11 – Форма «Редактирование расписания»

Нажатие на кнопке «Гимнастика» приводит к открытию формы «Гимнастика для глаз» (рис. 12).

Рисунок 12 – Форма «Гимнастика для глаз»

Данная форма содержит информацию о гимнастике и комплексы различных упражнений способствующих отдыху глаз (рис. 13). Наличие в программе таких упражнений для глаз позволяет ученику своевременно чередовать работу в компьютерных программах с отдыхом, вовремя снять напряжение и усталость. Подобранные комплексы упражнений отвечают принципам здоровьесберегающего обучения, они незаменимы при работе за компьютером.

Рисунок 13 – Форма «Комплекс для глаз»

Технически на форме «Гимнастика» расположен ряд кнопок. Щелчок мышью на кнопке «Информация о гимнастике» открывает текстовый документ, который содержит основные сведения о гимнастике для глаз и предлагаемых комплексах упражнений. Каждая из оставшихся семи кнопок закреплена за отдельным набором упражнений. Щелчок по каждой из них открывает новую форму, на которой имеется объект Image с соответствующими упражнениями для глаз.

Наличие кнопки «Игра» вносит развлекательно-развивающий момент в обучение школьника. Нажатие данной кнопки запускает простейший вариант игры «Сапер» (рис. 14). Суть игры заключается в следующем. На поле 10 на 10 расположено 10 мин. Игроку требуется указать их расположение, не взорвавшись. В противном случае игра заканчивается. Мина отмечается на поле нажатием правой кнопки мыши. Щелчок левой кнопкой мыши на поле без мины отображает на нем число, указывающее информацию о том, сколько мин находится вокруг данного поля.

Рисунок 14 – Форма «Игра сапер»

Игры, включаемые в подобные проекты, должны носить развивающий характер [10, 11]. С одной стороны они будут служить, также как и гимнастика для глаз, смене вида учебной деятельности, производя положительный эффект на обучение в целом, и отвечать принципу сбережения здоровья на уроках. С другой стороны наличие в них обучающего учебного момента будет способствовать развитию познавательного интереса к предмету изучения.

Итак, пример проекта «В помощь школьнику» наглядно демонстрирует особенности разработки мультимедийных программ по математике учебно-методического характера. Такие проекты возможно создавать не только по предметам физико-математического профиля, но и по другим школьным дисциплинам. Использование подобных проектов в школьном обучении будет при правильном подходе, несомненно, оказывать положительное влияние на ход образовательного процесса. В итоге учитель будет осознанно использовать достоинства учебно-методических мультимедийных проектов при организации обучения в школе. В свою очередь разнообразие методического инструментария позитивно скажется на качестве построения учебного процесса в целом [12, 13]. Вместе с систематическим применением на уроках новых современных образовательных подходов и технологий [14, 15] это позволит качественно улучшить школьное обучение.

При обучении младших школьников и учащихся средней школы математике целесообразно на уроках и во внеучебной деятельности применять игровые мультимедийные игры [8]. Они позволяют учителю в игровой форме освоить термины и понятия математической науки. Школьники увлеченно и сосредоточенно выполняют учебные задания, что, несомненно, способствует повышению интереса к изучению учебной дисциплины. Кроме того, учащиеся при таком обучении не только изучают предметную область математики, но и приобретают необходимые каждому умения работы в компьютерных средах.

Проанализируем в данной статье на примере проекта «Маша и медведь в мире математики» основные особенности проектирования подобных обучающих мультимедийных сред средствами языка программирования Lazarus. Также охарактеризуем содержание данного проекта и установим принципы работы в развивающих программных оболочках.

Мультимедийная среда проекта «Маша и медведь в мире математики» представляет собой стандартное окно, в верхней части которого находится строка с названием проекта. В этой строке справа, как и во всех оконных приложениях, размещены три кнопки управления программой – «свернуть», «развернуть» и «закрыть». Ниже расположено универсальное меню, содержащее два пункта – «Игры» и «Выход» (рис. 1). Рабочая область главной формы содержит необходимую информацию о проекте – краткую инструкцию к действиям и приветствие пользователю. Также на главную форму в данном проекте вынесена кнопка «Справка». Нажатие кнопки открывает вспомогательную форму проекта, которая содержит описание назначения проекта и правила работы в программе. В других программных разработках такого рода вместо размещения кнопки на форме в главное меню включают аналогичный пункт [9].

Рисунок 1 – Проект «Маша и медведь в мире математики»

Данная программная оболочка содержит четыре развивающие игры познавательного характера. Каждая из игр кратко знакомит ученика с одним из ученых-математиков – Рене Декартом (рис. 2), Леонардо Эйлером (рис. 3), Фридрихом Гауссом (рис. 4) и Бернардом Риманом (рис. 5). Для выбора одной из игр оболочки необходимо войти в пункт «Игры» главного меню программы и щелкнуть мышью на одном из подпунктов. После этого отроется диалоговая форма-приглашение к игре. Она содержит текстовое поле с краткими биографическими сведениями об ученом. Также на форме расположены две кнопки, одна из которых позволяет начать игру, а другая возвратиться на главную форму проекта. Диалог на соответствующей форме с каждым из них отправляет школьника к решению познавательных задач. Для перехода от диалога к игре ученику следует нажать кнопку «Играть» на форме-приглашении.

Рисунок 2 – Форма «Знакомство с Рене Декартом»

Рисунок 3 – Форма «Знакомство с Леонардо Эйлером»

Рисунок 4 – Форма «Знакомство с Фридрихом Гауссом»

Рисунок 5 – Форма «Знакомство с Бернардом Риманом»

Рассмотрим содержание и особенности разработки каждой из игр программной оболочки проекта. Первая в списке меню «Игры» – игра вместе с Рене Декартом. Диалог в игре с Рене Декартом открывает форму, которая содержит игру «Пятнашки» (рис. 6). Данная форма представляет собой поле BitMap, которое отображает части исходного изображения. Школьнику требуется с помощью щелчков мыши на частях картинки передвигать их на свободное поле так, чтобы после ряда перемещений изображение стало целым.

Рисунок 6 – Форма «Игра с Рене Декартом»

Программная реализация подразумевает объявление двух массивов – эталонного и рабочего игрового поля. В эталонном массиве записана правильная последовательность расположения частей исходного изображения. Рабочий массив содержит текущее расположение частей картинки. Изображение загружается из файла и разбивается на части, при этом размер формы устанавливается равным его размеру. Для отображения изображения используется процедура ShowPole, которая преобразует номер части картинки в координаты соответствующего левого верхнего угла области источника. Процедура Mixer перемешивает части картинки на форме произвольным образом.

Перемещение в пустую клетку поля, выбранной части изображения, осуществляется по щелчку мыши. При этом с помощью процедуры обработки события определяются координаты перемещаемой клетки, и если она является смежной с пустой ячейкой, то действие выполняется. Для этого разработана процедура Move. Она проверяет, возможно ли перемещение клетки, производит обмен ячеек и отображает на форме новое расположение частей изображения. Если текущее расположение совпадает с эталоном картинки, то пользователю предлагается либо закончить игру, либо попробовать сыграть еще раз. В первом случае он возвращается на главную форму проекта, во втором – игра начинается заново с новым произвольно полученным расположением частей исходного изображения. Во время игры ученик может прервать ее в любой момент, воспользовавшись кнопками управления в верхней правой части игровой формы. При этом текущее расположение частей изображения будет запомнено до тех пор, пока игрок не начнет игру заново.

Вторая из списка игр главного меню – игра вместе с Леонардом Эйлером. Она содержит математический кроссворд. Переход к его отгадыванию осуществляется нажатием кнопки «Играть» с диалоговой формы-приглашения данной игры аналогично с первой игрой. При щелчке мыши по этой кнопке открывается две вспомогательные формы. Первая из них содержит собственно кроссворд (рис. 7), а вторая – вопросы к нему (рис. 8).

Рисунок 7 – Форма «Кроссворд»

Рисунок 8 – Форма «Вопросы к кроссворду»

С точки зрения программной реализации формы с кроссвордом на ее задний план помещен фоновый рисунок с помощью объекта BitMap. За отображение рисунка на форме отвечает процедура FormPaint, которая делает изображение видимым. Процедура CreateTab выполняет построение клеток кроссворда на форме. Для этого построчно считываются данные из текстового файла. Данные из файла при прочтении заносятся в массив, который хранит объекты вида Edit. Все клетки кроссворда являются потомками единственного родителя поля Edit1. Они наследуют все свойства исходного объекта типа Edit [10].

Если при его прочтении встречается буква, то на форме отображается клетка в виде объекта Edit. При этом в том случае если буква является заглавной, то над клеткой формируется объект Label, содержащий номер вопроса кроссворда по порядку. В противном случае, если встречается пробел, то на этом месте формы остается пустота. Между клетками в строке, также как и между самими строками, предусмотрены стандартные отступы по ширине и высоте. Номера вопросов объектов Label на форме отображаются сразу при чтении данных из файла над соответствующими клетками в междустрочном пространстве. Значения же полей Edit изначально остаются скрытыми для участника игры. Для этого при загрузке основной формы кроссворда значение свойства Visible всех полей Edit устанавливается равным False.

При отгадывании кроссворда обработка введенного символа осуществляется при помощи процедуры Edit1KeyPress. Если код введенного с клавиатуры символа совпадает с кодом соответствующей буквы, записанным при прочтении из файла, то она отображается в данном поле. Если же буква введена неправильно, то после ввода символ отражен не будет и клетка останется пустой. При этом в заголовке формы кроссворда будет выведено количество текущих ошибок при заполнении клеток кроссворда в данной игре. При полном разгадывании кроссворда в заголовке появится надпись «Кроссворд разгадан».

Форма с вопросами к кроссворду содержит единственное поле Memo. С помощью текстового свойства данного поля Lines в нем построчно записаны вопросы кроссворда. Вопросы разделены на две категории – «По горизонтали» и «По вертикали». Номер возле каждого вопроса соответствует номеру слова отраженного на форме кроссворда.

Игра вместе с Фридрихом Гауссом включает занимательные задачи для младшего школьного возраста (рис. 9). Эти задачи направлены на развитие логического мышления учащихся. Школьнику предложено решить пять математических задач на логику рассуждений.

Рисунок 9 – Форма «Занимательные задачки»

На форме расположено пять объектов типа Memo. Они содержат условия для каждой из задач игры. Запись текста задач осуществлена по такому же принципу что и отражение вопросов кроссворда в поле Memo игры вместе с Леонардом Эйлером. Рядом с каждым из данных полей на форме находятся поля Edit. Они служат для ввода школьником ответа на вопрос задачи. После ввода ответов можно проверить количество совершенных при решении всех задач ошибок. Для этого на форме предусмотрено дополнительное поле типа Edit с соответствующим пояснением возле него. Надпись около поля Edit размещена в поле Label. Щелчок мыши на кнопке «Проверить результаты», расположенной под полем Edit, приводит к отображению результатов решения задач школьником. Вычисление результатов реализовано в процедуре Button1Click. В ней задан счетчик неправильных ответов на вопросы задач, начальное значение которого равно нулю. Затем с помощью последовательности условных операторов организовано изменение значения счетчика. Если ответ на вопрос задачи не совпадает с эталоном, то значение счетчика увеличивается на единицу. После проверки всех ответов пользователя, в поле Edit отражается его значение. В других проектах можно увидеть иной подход к выводу результатов решения задач школьником [11]. Возможен вывод ответа на каждую задачу отдельно с помощью совокупности пар полей Label и Edit и одной или нескольких кнопок в зависимости от предлагаемой логики решения набора задач. Также вывод результатов решения всех задач можно осуществить построчно в поле Memo и вывести в случае необходимости комментарии и замечания к решению заданий.

Последняя в списке игр, включенная в данную оболочку, – игра вместе с Бернардом Риманом. Она включает набор познавательных игр, объединенных под общим названием «Веселые игры» (рис. 10). На форме в отделенных друг от друга областях представлены условия четырех игр: «Узнай свое число», «Определить на ощупь», «Не ошибись» и «Лучший счетовод». Учащимся предлагается организовать данные развивающие игры с одноклассниками во внеучебное время.

Рисунок 10 – Форма «Веселые игры»

Реализация кода данной части программы наиболее простая в проекте «Маша и медведь в мире математике». На форме размещены четыре поля Memo, в каждом из которых с помощью свойства Lines задан текст условия задачи. Для полей Memo данной формы заменены стандартные цвет текста и фона в соответствии с единым оформлением элементов на всех формах проекта.

Итак, при проектировании такого рода программных оболочек видна общая концепция их построения. Программная оболочка проекта состоит из главной формы, содержащей стандартное меню. Меню включает основные пункты и инструменты работы с программой. Каждый пункт меню связан со вспомогательной формой проекта или программным действием. Все формы программы образуют единую взаимосвязанную систему относительно автономных частей оболочки проекта. Так, в рассматриваемом проекте, формы сопоставлены пунктам главного меню, с помощью которых происходит запуск обучающих и развивающих игр, включенных в данных проект.

Основными элементами на формах выступают поля Label и Memo для размещения текста, управляющие действиями кнопки Button и поля Edit для ввода данных и вывода результатов работы программы. Также на диалоговых формах для размещения изображений предусмотрены объекты Image, а для фоновых рисунков – объекты BitMap. Для программной реализации простейших диалогов и вычислительных действий достаточно использования в коде последовательности условных операторов и отдельных или вложенных друг в друга циклических конструкций. Программирование же сценариев даже простейших, как в данном проекте, обучающих игр требует написания собственных процедур и функций в соответствии с логикой проекта. Рассмотренные примеры демонстрируют, что программная реализация содержательных элементов приведенных игр возможна в среде визуального программирования Lazarus. При этом разработчик такого проекта в большинстве своем должен владеть базовыми навыками использования свойств основного набора компонентов и применения действий обработки стандартных событий [12].

Обучающие игры, представленные в данном проекте, необходимо разумно использовать для сопровождения процесса обучения математике в школе. Игры подобного содержания можно применять при должной доработке в соответствии с возрастом учащихся на уроках не только в начальных и средних, но и в старших классах. Сопровождение учебного процесса посредством таких обучающих игр также будет содействовать, наряду с вовлечением учеников в конкурсную деятельность [13] и их участием в профильных олимпиадах [14], всестороннему развитию их умений и навыков в области компьютерных технологий.

Изменяя предметное содержание данных развивающих игр такие проекты можно внедрять в обучение и других учебных дисциплин, например, информатике [15, 16] или же, вообще, истории [17]. При этом особенно целесообразно использование игр межпредметного характера на стыке двух и более школьных предметов. Это будет способствовать получению учащимися более прочных знаний, приобретенных в увлекательной игровой междисциплинарной деятельности.