Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Теоретические аспекты компетентностно-ориентированного обучения математической информатике будущих бакалавров профиля «Информатика» 18
1.1 Актуальность формирования содержания математической информатики в обучении будущих бакалавров профиля «Информатика» в условиях компетентностного подхода 18
1.2 Разработка компетентностно-ориентированного содержания обучения математической информатике 39
1.3 Проектирование методической системы обучения математической информатике будущих бакалавров информатики 66
Выводы по главе 1 77
Глава 2. Реализация содержания математических основ информатики в процессе обучения будущих бакалавров профиля «Информатика» 79
2.1 Разработка требований к результатам обучения по курсу «Элементы математической информатики» 79
2.2 Разработка модульной программы курса «Элементы математической информатики» в условиях компетентностного подхода... 86
2.3 Реализация содержания математической информатики в рамках методической системы обучения будущих бакалавров информатики 100
2.4 Формы, средства и методы обучения в рамках реализации курса «Элементы математической информатики» 110
Глава 3. Проверка эффективности методической системы обучения математической информатике 135
3.1 Организация и основные этапы педагогического эксперимента135
3.2 Разработка критериев оценки достижения результатов обучения математической информатике будущих бакалавров информатики 145
3.3 Исследование динамики результатов обучения математической информатике и их влияния на формирование специальных компетенций будущих бакалавров информатики 149
Выводы по главе 3 161
Заключение 162
Библиографический список 164
Приложения 183
- Разработка компетентностно-ориентированного содержания обучения математической информатике
- Проектирование методической системы обучения математической информатике будущих бакалавров информатики
- Разработка модульной программы курса «Элементы математической информатики» в условиях компетентностного подхода...
- Разработка критериев оценки достижения результатов обучения математической информатике будущих бакалавров информатики
Введение к работе
Актуальность исследования. Действующие федеральные государственные образовательные стандарты высшего профессионального образования (ФГОС ВПО) определяют, что в основе образовательного процесса в высшем педагогическом учебном заведении лежит компетентностный подход к образованию, ориентирующий выпускников вуза на приобретение компетенций, необходимых и эффективных в дальнейшей трудовой деятельности.
Стратегия развития информационного общества в Российской Федерации, закон «О высшем и послевузовском профессиональном образовании», переход к двухуровневому образованию требуют высокого качества подготовки студентов - будущих бакалавров педагогического образования профиля «Информатика». Сегодня выпускник педагогического вуза, получающий образование по данному профилю, должен не только эффективно вести профессиональную деятельность педагога, но и свободно ориентироваться в мировом информационном пространстве, иметь необходимые знания и навыки поиска, обработки и хранения информации с использованием современных технологий, компьютерных систем и сетей, уметь создавать и поддерживать на высоком уровне информационно-образовательную среду учебного учреждения. Информатика и информационные технологии развиваются с поразительной скоростью. Существующие технологии устаревают практически сразу же после возникновения. Быстрые темпы развития информатики мотивируют педагога к изменению содержания и методов преподавания, смещению внимания с конкретных быстроустаревающих педагогических технологий к моделям обучения, основанным на приобретении общетеоретических фундаментальных знаний и способствующим развитию самообразования.
Мы разделяем мнение М.П. Лапчика, что с развитием предметной области информатики «продолжается процесс уточнения своего места и роли в базовом образовании общекибернетических и математических оснований информатики. Именно здесь находятся сегодня точки роста для будущего развития базового образования учащихся в области информатики». Это должна учитывать методика преподавания информатики в педагогическом вузе.
Объективной причиной, требующей усиления фундаментальной подготовки в области информатики, является, как считает А.И. Сенокосов, естественный процесс широкого распространения в различных сферах практической деятельности информационных технологий, реализуемых на персональных компьютерах, что создает угрозу «выдавливания» общеобразовательных, фундаментальных основ знаний в области информатики. Здесь таится возможность подмены приоритета, и нужно понимать, что «чувство машины» приходит именно при изучении фундаментальных основ информатики».
Важнейший аспект целеполагания информатического образования школьников, согласно А.Л. Семенову, А.И. Сенокосову, М.П. Лапчику, А.С. Лесневскому, Е.К. Хеннеру, также связан с проявлением фундаментальных истоков науки информатики и является актуальным в обучении будущих учителей информатики.
В условиях ФГОС ВПО особое значение приобретает формирование компетенций, и прежде всего, специальных компетенций, устанавливаемых вузом в соответствии с профилем подготовки. Важным фактором в развитии специальных компетенций будущих бакалавров педагогического образования профиля «Информатика» является изучение фундаментальных основ информатики, в частности математической информатики. Это предполагает овладение студентами общетеоретическими основами информатики и приобретение ими определенного опыта применения полученных знаний в практической деятельности, а также готовности к постоянному повышению уровня своего образования.
Анализ исследований по проблеме обучения математической информатике в педвузе позволил заключить, что данной теме посвящены работы, связанные с обучением в вузе формальной семиотике языков программирования (В.В. Лаптев, Н.И. Рыжова, М.В. Швецкий), численным методам решения прикладных задач (М.П. Лапчик, Е.К. Хеннер, М.И. Рагулина), математическим основам анализа алгоритмов (Д. Кнут, Р. Грэхем, Л.А. Шоломов, О. Паташник), формальным языкам (А.А. Фомина), математическим основаниям парадигм программирования (М.А. Иорданский, И.А. Кудрявцева, М.В. Швецкий), элементам дискретных методов в информатике (А.Г. Гейн, В.А. Горбатов, Д.Ш. Матрос, Р. Хаггарти). Проблема изучения математической информатики актуальна и в школьном курсе.
Вышеуказанные исследования демонстрируют разные подходы к определению и изучению основных вопросов, рассматриваемых математической информатикой. Тем не менее, в настоящее время недостаточно исследований посвящено проблеме обучения математической информатике, сориентированному на формирование специальных компетенций будущих бакалавров педагогического образования профиля «Информатика».
Практика обучения студентов начальных курсов показала, что проблемы, с которыми они сталкиваются в процессе обучения основам математической информатики, приходят из школы. Анализ результатов ЕГЭ по информатике демонстрирует затруднения школьников в применении языка и методов математической информатики при выполнении экзаменационных заданий. Слабая базовая подготовка влечет за собой и недостаточно глубокое освоение студентами таких профильных дисциплин, как «Программирование», «Компьютерное моделирование», «Теория алгоритмов». В связи с этим возникает необходимость разработки и реализации методики обучения математической информатике, способствующей повышению эффективности процесса обучения будущих бакалавров профиля «Информатика» и положительному влиянию на формирование у них специальных компетенций. Отсутствие, однако, единой точки зрения на содержание математической информатики обусловливает ряд трудностей в разработке данной методики.
Таким образом, актуальность исследований в области обучения математической информатике и методике преподавания данной дисциплины становится очевидной.
Изложенное выше позволяет выделить следующие противоречия:
на социально-педагогическом уровне - между потребностью в подготовке конкурентоспособных на современном рынке труда учителей информатики, определяемой социальным заказом, и существующей практикой их обучения в вузе на основе неадаптированного к новым условиям содержания;
на научно-педагогическом уровне - между необходимостью реализовы-вать одновременно требования фундаментализации и практико-ориентированности в подготовке будущих бакалавров информатики и недостаточной разработанностью теоретических основ обучения математической информатике, обладающей высоким потенциалом в разрешении названного противоречия, благодаря сочетанию в ней фундаментальных понятий информатики с их направленностью на освоение дисциплин профильной подготовки;
на научно-методическом уровне - между необходимостью целенаправленного формирования специальных компетенций будущих бакалавров информатики в процессе обучения математической информатике и недостаточной разработанностью содержания и методики обучения математической информатике, ориентированных на формирование компетенций студентов.
На основе выявленных противоречий сформулирована проблема, которая заключается в отборе содержания и разработке методики обучения математической информатике, обеспечивающих реализацию требований фундаментализации и практико-ориентированности в подготовке будущих бакалавров информатики профиля «Информатика». Указанная проблема послужила основанием для выбора темы исследования: «Формирование специальных компетенций будущих бакалавров профиля «Информатика» в процессе обучения математической информатике».
Объект исследования - процесс обучения информатике будущих бакалавров педагогического образования профиля «Информатика».
Предмет исследования - формирование специальных компетенций будущих бакалавров профиля «Информатика» в процессе обучения математической информатике.
Цель исследования: теоретическое обоснование и разработка методической системы обучения математической информатике будущих бакалавров педагогического образования профиля «Информатика», направленной на формирование специальных компетенций.
Гипотеза исследования: уровень сформированности специальных компетенций будущих бакалавров педагогического образования профиля «Информатика» повысится в процессе обучения математической информатике, если на основе компетентностного и интегративно-модульного подходов разработать методическую систему обучения математической информатике, которая предполагает:
- отражение в требованиях к результатам обучения математической
информатике направленности на формирование специальных компетенций
средствами математического компонента содержания дисциплин профильной
подготовки;
разработку компетентностно-ориентированного содержания математической информатики на основе сформулированных требований к результатам обучения и конкретизированных и дополненных содержательных линий дисциплины;
реализацию модульно-рейтинговой системы обучения в информационно-образовательной среде;
мониторинг уровней развитости гностического, функционального и методологического компонентов результатов обучения математической информатике и специальных компетенций посредством дескрипторов, разработанных в соответствии с требованиями тарификатора ТАФО.
В соответствии с целью, предметом и гипотезой поставлены следующие задачи исследования:
Изучить состояние проблемы формирования специальных компетенций будущих бакалавров информатики и обосновать необходимость внесения изменений в содержание обучения математической информатике.
Определить структуру и содержание проектирования методической системы обучения математической информатике на основе компетентностного и интегративно-модульного подходов.
Уточнить содержательные линии обучения математической информатике на основе комплексного анализа структуры дисциплин профильной подготовки и определить требования к результатам обучения математической информатике.
Выполнить проектирование компетентностно-ориентированного содержания обучения математической информатике в соответствии с требованиями и принципами отбора содержания, выделенными содержательными линиями и требованиями к результатам обучения; разработать комплекс компетентностно-ориентированных задач и контрольно-оценочных материалов, реализуемых в условиях модульно-рейтингового обучения с использованием мультимедиа-средств и построить курс «Элементы математической информатики» для будущих бакалавров профиля «Информатика».
Разработать дескрипторы уровней развитости гностического, функционального и методологического компонентов результатов обучения математической информатике и дескрипторы уровней развитости компонентов специальных компетенций будущих бакалавров информатики.
Экспериментально проверить эффективность применения методической системы обучения математической информатике.
Последовательное решение данных задач позволит спроектировать методическую систему обучения математической информатике в условиях компетентностного подхода.
Теоретико-методологическую основу исследования составили: концепция фундаментализации образования (СИ. Архангельский, Ю.К. Бабанский, Б.М. Кедров, В.В. Краевский, B.C. Леднев, И.Я. Лернер, Ю.Г. Татур, В.В. Лаптев, Н.И. Рыжова, С.Д.Каракозов), концепция проектирования и конструирования содержания обучения (В.В. Краевский, B.C. Леднев, И.Я. Лернер),
теория содержания высшего профессионального педагогического образования в условиях компетентностного подхода (В.П. Беспалько, А.А. Вербицкий, Э.Ф. Зеер, И.А. Зимняя, В.А. Козырев, Ю.Г. Татур, А.П. Тряпицына, А.В. Хуторской), теория и методика обучения информатике (С.А. Бешенков, Т.А. Бороненко, А.А. Кузнецов, В.В. Лаптев, М.П. Лапчик, Е.А. Леонова, М.И. Рагулина, Е.А. Ракитина, Н.И. Рыжова, И.Г. Семакин, Е.К. Хеннер, М.В. Швецкий), теория междисциплинарных связей в обучении (С.Н. Бабиной, Г. И. Батурина, В.А. Далингер, B.C. Елагина, А.В. Усова), теория использования информационно-коммуникационных технологий в обучении (Л.И. Долинер, Д.Ш. Матрос, В.Н. Нуждин, Н.И. Пак, Е.С. Полат, И.В. Роберт, В.Ф. Шолохович), теория модульного обучения (С.Я. Батышев, А.С. Галышева, П.А. Юцявичене), теория и методика педагогических исследований (Д.А. Новиков, Е.В. Сидоренко, Б.Е. Стариченко и др.).
Для решения поставленных задач был использован комплекс методов: - теоретических: теоретико-методологический анализ позволил сформулировать исходные позиции исследования; анализ нормативных образовательных документов использовался для обоснования актуальности проблемы и определения правовых возможностей ее решения; анализ психолого-педагогической и учебно-методической литературы по проблеме исследования дал возможность выделить содержательные линии обучения математической информатике; анализ потребностей заказчика и деятельности преподавателей и студентов применялся при разработке модели результатов обучения; понятийно-терминологический анализ лег в основу описания понятийного поля проблемы; системный анализ послужил основанием целостного рассмотрения проблемы исследования; моделирование применялось для построения методической системы обучения математической информатике, разработки результатов обучения математической информатике, этапов проектирования компетентно-стно-ориентированного содержания обучения математической информатике;
- эмпирических: изучение практического опыта на этапах констатирующего и формирующего экспериментов; систематизация и классификация фактологического материала; психолого-диагностические методы (для получения и исследования информации при тестировании, анкетировании, наблюдении и самооценке); педагогический эксперимент; методы на базе информационных технологий; статистические методы обработки результатов исследования и проверки выдвигаемой гипотезы.
Исследование проводилось в три этапа с 2006 по 2012 годы в ФГБОУ ВПО «Челябинский государственный педагогический университет» на факультете информатики, в профессионально-педагогическом институте, а также в филиале ФГБОУ ВПО «Челябинский государственный педагогический университет» (г. Сатка Челябинской области). В исследовании приняли участие 125 студентов и 32 преподавателя профильных и математических дисциплин.
На первом этапе (2006-2007 гг.) решались методологические и теоретические задачи. В этой связи изучались и анализировались психолого-педагогические и методические источники, содержание государственных обра-
зовательных стандартов, учебные планы и рабочие программы по методике преподавания информатики и математической информатики, результаты исследований в сопряженных областях, опыт работы преподавателей вузов по формированию профессиональных и специальных компетенций будущих бакалавров профиля «Информатика».
На втором этапе эксперимента (2008-2009 гг.), в соответствии с идеями компетентностного подхода, уточнялись и конкретизировались результаты обучения математической информатике будущих бакалавров профиля «Информатика»; выявлялись основные требования дисциплин профильной подготовки к содержанию, уровню знаний и умений в области математической информатики; обосновывалась и разрабатывалась модульная программа; и компетентно-стно-ориентированное содержание курса «Элементы математической информатики»; выявлялись специфика и условия рационального применения средств и методов информатики в процессе обучения бакалавров информатики профиля «Информатика». На данном этапе был проведен обучающий эксперимент по реализации разработанного содержания курса «Элементы математической информатики» в процессе обучения математической информатике студентов специальности «030100 - Информатика» и бакалавров педагогического образования профиля «Информатика» в соответствии с модульной программой.
На третьем, формирующем, этапе (2010-2011 гг.) педагогического исследования в процессе контролирующего эксперимента осуществлена проверка результативности методической системы обучения математической информатике будущих учителей информатики; разработаны дескрипторы уровня достижений гносеологического, функционального и методологического компонентов результатов обучения математической информатике. На этом этапе уточнялись теоретические и экспериментальные выводы, обобщались, систематизировались и описывались полученные результаты.
Научная новизна исследования.
На основе компетентностного и интегративно-модульного подходов разработана методическая система обучения математической информатике, которая характеризуется системностью, модульностью и включает четыре взаимосвязанных блока (целевой, содержательный, процессуально-технологический и оценочно-результативный), каждый из которых направлен на формирование специальных компетенций.
Выделены и обоснованы этапы проектирования компетентностно-ориентированного содержания обучения математической информатике:
деструктуризация дисциплин профильной подготовки;
выделение математических объектов, методов, моделей, составляющих фундаментальную основу дисциплин профильной подготовки, и выявление содержательных линий математической информатики;
определение требований к результатам обучения;
наполнение содержательных линий на основе требований отбора содержания образования;
- разработка дескрипторов уровней развитости гностического, функционального и методологического компонентов результатов обучения математической информатике и специальных компетенций.
3. Теоретически обоснована и сформирована матрица конкретизированных знаний, умений, способов практической деятельности по математической информатике, входящих в состав специальных компетенций будущих бакалавров информатики.
Теоретическая значимость исследования заключается в дальнейшем развитии теории и методики обучения информатике будущих бакалавров профиля «Информатика» и выражена в следующем:
Определены и теоретически обоснованы роль и место обучения математической информатике как важного элемента фундаментальной подготовки будущих бакалавров информатики, способствующего формированию у них специальных компетенций.
Доказано, что устойчивыми единицами содержания курса по математической информатике должны быть конструктивные, дискретные компоненты оснований математики, математической логики, дискретной математики, алгебры, образующие содержательные линии обучения данной дисциплине, обеспечивающие фундаментализацию обучения информатике.
Разработаны дескрипторы уровней развитости компонентов результатов обучения математической информатике и компонентов специальных компетенций будущих бакалавров профиля «Информатика», отражающие ориентировочную основу деятельности по оценке сформированности названных компонентов.
Практическая значимость результатов исследования заключается в том, что сформулированные в нем выводы и рекомендации способствуют повышению качества результатов обучения информатике в вузе:
Внедрена и апробирована методическая система обучения математической информатике будущих бакалавров информатики в условиях компетент-ностного подхода, построено компетентностно-ориентированное содержание обучения математической информатике в рамках курса «Элементы математической информатики».
Разработаны требования к результатам обучения математической информатике будущих бакалавров информатики в условиях компетентностного подхода на основе выделенных содержательных линий обучения математической информатике и потребностей заказчика.
Разработаны компетентностно-ориентированное содержание математической информатики, задачи и тесты, которые позволяют реализовать в рейтинговой системе мониторинг результатов обучения, влияющих на формирование специальных компетенций у будущих бакалавров профиля «Информатика», а также обеспечить индивидуальную работу и самокоррекцию обучающихся.
Разработан электронный учебно-методический комплекс дисциплины «Элементы математической информатики», размещенный на учебном портале вуза. Комплекс содержит учебно-методические материалы и является эффек-
тивной средой формирования и развития фундаментальных знаний и умений, обеспечивая реализацию разработанной методической системы обучения математической информатике для студентов по направлению подготовки 050100 «Педагогическое образование» профиль «Информатика» очной, заочной и дистанционной форм обучения.
На защиту выносятся положения:
Формирование специальных компетенций будущих бакалавров профиля «Информатика» успешно осуществляется в рамках разработанной методической системы обучения математической информатике как одной из фундаментальных дисциплин информатики.
Методическая система включает целевой блок, определяющий требования заказчиков к результатам обучения бакалавров информатики на основе достижений науки, техники, рынка труда и занятости и личных потребностей; содержательный блок, в котором представлено компетентностно-ориентированное содержание математической информатики и модульная программа; процессуально-технологический блок (формы, средства и методы обучения в условиях модульно-рейтинговой системы с использованием информационных технологий, способствующих дополнительному развитию специальных компетенций будущих бакалавров информатики); оценочно-результативный блок, в котором представлены дескрипторы уровня развитости гностического, функционального и методологического компонентов компетенций в соответствии с тарификатором ТАФО и компетентностно-ориентированные тесты, мониторинг развития результатов обучения в области математической информатики и развития специальных компетенций будущих бакалавров информатики.
Проектирование компетентностно-ориентированного содержания обучения математической информатике осуществляется в соответствии с этапами: 1) деструктуризация дисциплин профильной подготовки; 2) выделение математических объектов, методов, моделей, составляющих фундаментальную основу дисциплин профильной подготовки, и выявление содержательных линий математической информатики; 3) определение требований к результатам обучения; 4) наполнение содержательных линий на основе требований отбора содержания образования; 5) разработка дескрипторов уровней развитости гностического, функционального и методологического компонентов результатов обучения математической информатике и специальных компетенций. Проектирование содержания математической информатики в курсе «Элементы математической информатики» в соответствии с выделенными нами этапами обеспечивает положительную динамику уровня развитости специальных компетенций выпускника.
Требования к результатам обучения математической информатике структурированы в соответствии с выделенным математическим компонентом в содержании дисциплин профильной подготовки. Оценка достижений результатов обучения математической информатике производится по гностическому,
функциональному и методологическому компонентам, причем эти компоненты соотносятся с компонентами специальных компетенций.
5. Эффективность методической системы экспериментального обучения курсу «Элементы математической информатики» будущих бакалавров профиля «Информатика» была подтверждена результатами педагогического эксперимента.
Обоснованность и достоверность результатов исследования обеспечены использованием взаимодополняющих методов педагогического исследования, адекватных поставленным задачам; длительностью эксперимента, его повторяемостью; применением статистических методов обработки результатов эксперимента; соблюдением основных требований к организации педагогического эксперимента, подтверждением гипотезы исследования результатами экспериментальной работы, практическим подтверждением основных положений исследования и статистической обработкой полученных в ходе эксперимента данных.
Апробация и внедрение результатов исследования осуществлялась в ходе экспериментальной работы автора на базе факультета информатики и профессионально-педагогического института Челябинского государственного педагогического университета, а также филиала ЧГПУ в г. Сатке.
Материалы диссертационного исследования докладывались и обсуждались на:
-международных конференциях «Информационные и коммуникационные технологии в образовании: ресурсы, опыт, тенденции развития» (Архангельск, 2011 г.); «Формирование компетенций учащихся и студентов в общем и профессиональном образовании» (заочная, Челябинск, Россия - Щецин, Польша, 2012 г.).
-всероссийских и межрегиональных научных конференциях «Современные информационные технологии в науке, образовании и практике» (с Международным участием), посвященная 10-летию Оренбургского государственного университета (Оренбург. 2005 г.); «Проблемы математического образования в педагогических вузах на современном этапе». (Челябинск. 2006 г.); «Методика вузовского преподавания» (Челябинск. 2006 г.); «Информатика и информационные технологии в образовании» (Челябинск, 2009 г.); «Информационные и коммуникационные технологии - основной фактор реализации системы менеджмента качества образовательного учреждения на основе стандарта ISO» (Челябинск, 2010 г.); «Введение федеральных государственных образовательные стандартов высшего профессионального образования на основе информационных и коммуникационных технологий и системы менеджмента качества» (Челябинск, 2011 г.), «Информатизация образования: проблемы и перспективы» (Челябинск, 2012 г.).
Структура диссертации: работа состоит из введения, трех глав, заключения, библиографического списка, включающего 187 источников и 9 приложений. Диссертация содержит 25 рисунков и 19 таблиц.
Разработка компетентностно-ориентированного содержания обучения математической информатике
В связи с разными подходами к определению математической информатики как фундаментальных основ информатики при разработке содержания обучения будущих бакалавров информатики целесообразно рассмотреть требования дисциплин профильной подготовки к математической информатике.
Математическая информатика как фундаментальная составляющая информатики обеспечивает прикладную и практическую направленность дисциплин профильной подготовки и способствует овладению студентами конкретными знаниями и необходимыми навыками в профессиональной деятельности, т.е. непосредственно и опосредованно (через профильные дисциплины) формирует профессиональные и специальные компетенции будущих бакалавров информатики. В целях определения требований дисциплин профильной подготовки к математической информатике и выделения математического компонента проведена деструктуризация следующих дисциплин профильной подготовки: «Языки и методы программирования», «Компьютерное моделирование», «Архитектура компьютера», «Информационные системы и сети», «Теоретические основы информатики». В результате анализа дисциплины «Языки и методы программирования» получена Таблица 3, результаты деструктуризации остальных дисциплин приведены в Приложении 1.
Отметим, что дискретная математика обслуживает запросы современной информатики в силу дискретного характера хранения, передачи и обработки информации. Изучение методов дискретной математики студентами педвузов будущими учителями информатики обеспечивает необходимую фундаментализацию образования, при которой студенты способны не только использовать информационные технологии, но и объяснять своим будущим ученикам, на каких математических моделях они основаны.
Выделенный в таблице 3 основной математический компонент профильных дисциплин разнесен по различным учебным дисциплинам - математической логике, алгебре, дискретной математике, теории вероятностей, теоретические основы информатики и др., это затрудняет целостное представление об идеях и методах информатики, заставляет рассмотреть информатическую составляющую названных выше математических дисциплин, выделить язык и методы данных дисциплин, обеспечивающих фундамент информатики. Таким образом, подтверждается необходимость разработки курса математической информатики в подготовке будущих бакалавров информатики.
Рассмотрим, как математические дисциплины обеспечивают основания информатики. Математическая логика изучает вопросы применения математических методов для решения логических задач и построения логических схем, которые лежат в основе работы любого компьютера:. 1. Язык Пролог и логическое программирование. Создания баз знаний и экспертных систем, автоматическое доказательство теорем, принципы логического вывода информации на основе заданных фактов и правил вывода, математические принципы резолюций. Язык Пролог и система логического программирования основаны на языке предикатов математической логики дизъюнктов Хорна. 2. Формальные методы и логика рассуждений о понятиях. Формальная логика Канта отвлекается от содержания понятий, имеет дело только с их формой и описывает явления окружающего мира в виде логических высказываний. 3. Логика вычислений с объектами (комбинаторная логика). Комбинаторная логика — формальные системы, исследующие множества и его элементы, разрабатывающие представление об объекте в качестве отображений. Комбинаторная логика тесно связана с -исчислением, описывает вычислительные процессы, занимается анализом процесса подстановки. В качестве ее сущностей используются объекты в виде комбинаций констант. Комбинаторная логика позволяет строить системы логических рассуждений, комбинаторы [193]. 4. Логика для компилирования программного кода, (категориальная дис кретная машина). Категориальная дискретная машина - модель вычисления программы, с особенностями аппликативного, функционального и композиционного стиля, опирающаяся на технику аппликативного вычисления [193]. 5. Логика знания и предположения (искусственного интеллект). Искусственный интеллект - логические правила; алгоритмические языки программирования, логическая система аксиом и правил, логика предикатов, теория алгоритмов. Синтез математической логики и компьютера привел к возникновению баз данных и экспертных систем — важнейших этапов на пути к созданию искусственного интеллекта — машинной модели человеческого разума. Логика оказалась гораздо более эффективной в информатике, чем это было в математике, считает Гальперин [197]. Алгебра. Важным аппаратом информатики являются булева, полиномиальная, компьютерная, реляционная алгебры. Компьютер использует алгебраическое представление чисел, многочлены лежат в основе компьютерной алгебры и в символьных вычислениях играют исключительно важную роль [94]. Компьютерная алгебра, лежащая на стыке алгебры и вычислительных методов, рассматривает такие объекты, как дифференциальные поля (функциональные поля), матричные кольца [28], [87], [89]. Посредством анализа алгоритмов решаются задачи оценки сверху числа вычислений предиката, распознавания, сортировки и использования операторов суммирования и умножения конечного или бесконечного числа элементов [88]. Модулярная арифметика оперирует не непосредственно большими числами, а «остатками», без потери какой-либо информации [89]. Введением одноместных и двухместных связок на множестве отношений строится реляционная алгебра. Задачи обработки данных в теории множеств и в логике первого порядка приводят к задачам теории построения баз данных или к реляционным (логическим) моделям данных. Принципы построения реляционной модели данных (РМД), сформулированные Э.Ф. Кодцом в работе «A Relational Model of Data for Large Shared Data Banks», написанной 1969-1970 годах, включают следующие обстоятельства: 1) модель является логической — отношения являются логическими (абстрактными), а не физическими (хранимыми) структурами; 2) базы данных представлены одним и только одним способом — явным заданием значений атрибутов в кортежах отношений; 3) реляционная алгебра реализует декларативное программирование и декларативное описание ограничений целостности. Реляционная модель ориентирована на организацию данных в виде двумерных таблиц, которые представляют собой двумерный массив. На реляционной модели данных строятся реляционные базы данных [33]. Основными понятиями системы управления реляционными базами данных, реляционной модели данных, реляционной алгебры являются: массивы, отображения, отношения, кортеж, сюръекция, инъекция. Изучение этих тем требует особого внимания в обучении бакалавров информатики.
Проектирование методической системы обучения математической информатике будущих бакалавров информатики
Под методической системой обучения (МСО) будем понимать структуру, компонентами которой являются цели, содержание, методы, формы и средства обучения, которой присуща специфика, проявляющаяся при раскрытии смысла содержания и выявлении взаимосвязей компонентов системы [13]. Проектированию и совершенствованию методической системой обучения информатике посвящены работы Т.А. Бороненко [12], А.В. Ванорина [15], И.Б. Готской [26], Е.В. Данильчук [32], В.М. Жучкова [43], В.В.Лаптева [70], Е.К. Хеннера [179], М.В. Швецкого [187] и др., в которых приводится корректировкой отдельных ее компонентов и связей. В своем исследовании мы придерживаемся обобщенной модели методической системы обучения, полученной на основе моделей методических систем Т.А. Бороненко и И.Б. Готской, и которую мы дополнили социально-целевым и оценочно-результативным компонентами. В обучении конкретному учебному предмету Т.А. Бороненко предлагает выделить следующие этапы: 1) проектирования и конструирования методической системы обучения; 2) реализации методической системы обучения, т.е. создания конкретного учебного предмета и внедрение его в педагогическую практику вуза; 3) анализа реализации методической системы обучения, т.е. классического педагогического эксперимента; 4) развития методической системы обучения; 5) перехода к первому, второму, третьему этапам методического эксперимента. В соответствии с перечисленными этапами нами разработана методическая система обучения математическим основам информатики будущих бакалавров информатики, выделен комплекс педагогических условий, обеспечивающих ее эффективное функционирование. В соответствии с данными этапами, в обучении математической информатике на основе компетентностного и интегративно-модульного подходов разработано и теоретически обосновано проектирование взаимосвязанных блоков методической системы обучения математической информатике будущих бакалавров профиля «Информатика».
Структурная схема проектирования методической системы обучения математической информатике (см. рисунок 4) представляет собой четыре взаимосвязанных блока - целевой, содержательный, процессуально-методический и результативно-оценочный компоненты. Проектирование целевого компонента обусловлено требованиями ФГОС ВПО, уровнем развития науки и информатизации общества, квалификационными требованиями к подготовке выпускника. На определение конкретных целей и задач данного компонента существенное влияние оказывает социальный заказ, о чем говорится в п.8.2, п.8.3 ФГОС ВПО. Целевой компонент учитывает заказ потребителя, личные потребности заказчика, выполняет функцию обоснования целей и задач развития компетентности бакалавра и отвечает за использование приемов и средств, направленных на формирование и развитие познавательной и профессиональной мотивации в процессе обучения [95]. Проектирование содержательного компонента обеспечивает отбор и структуризацию учебного материала в соответствии с целевыми установками. Основой данного компонента является дисциплина «Информатика» и «Требования профильных дисциплин к подготовке в области математических основ информатики», которые определяют результаты обучения, концептуальные содержательные линии обучения математическим основам информатики, и связи между ними. Отбор и конструирование содержания необходимо выстраивать с учетом интегративных связей информатики с дисциплинами общепрофессиональной подготовки, компетентностнои ориентированностью содержания обучения на развитие результатов обучения математической информатике и специальных компетенций будущего бакалавра информатики. Проектирование процессуально-технологического компонента описывает организацию и технологию применения компетентностно-ориентированного содержания с целью развития профессиональных и специальных компетенций будущих бакалавров информатики, обеспечивает отбор методов, форм и средств обучения для каждой содержательной структурной единицы в соответствии с содержанием образования и поставленными целями в освоении учебного материала. Проектирование оценочно-результативного компонента включает разработку критериев и уровней развития профессиональных и специальных компетенций бакалавров информатика, разработку модульной программы оценки знаний студентов. Оценочно-результативный компонент методической системы обучения бакалавров информатики выполняет диагностическую, корректирующую и рефлексивную функции (самооценка своих действий, анализ учебной деятельности с точки зрения их соответствия требованиям к уровню подготовки студентов в логике компетентностного подхода). Определение показателей сформированности компетенций и разработка контрольно-оценочных средств, компетентностно ориентированных тестов В работе нами рассмотрена реализация интеграционных связей двух научных областей - математики и информатики, в теоретической, и в практической частях, посредством решения компетентностно-ориентированных задач, в которых представлены процессы и явления, составляющие содержание курсов профильных дисциплин, и работа над которыми направлена на формирование профессиональных и специальных компетенций будущих бакалавров информатики. Для проведения ранжированного контроля знаний, умений студентов целесообразно разработать пакет компетентностно-ориентированных заданий 3-х уровней сложности, что рекомендовано в п.8.3, 8.4 ФГОС ВПО. Использование системы компетентностно-ориентированных заданий и профессиональных проектов эффективно формирует и развивает у будущих учителей информатики ряд профессиональных компетенций и обеспечивает количественное оценивание степени их сформированности. При оценивании сформированности ряда компетенций (информационной, коммуникативной, исследовательской, методической, самообразовательной, а также компетенций в области программирования) необходимо использовать следующие показатели: усвоение студентами теоретических знаний по основам программирования, определяемое на основе электронного тестирования; умение решать компетентностно-ориентированные задачи в области программирования; сформированность специальных компетенций, владение методологией учебной дисциплины.
Разработка модульной программы курса «Элементы математической информатики» в условиях компетентностного подхода...
Конкретизация требований к результатам обучения обеспечивает контроль за включением компетенций, разделов содержания образования, учебных задач, решение которых необходимо в процессе изучения каждого учебного модуля, и помощь в установлении последовательности изучения разделов дисциплины и составлении модульной программы курса. Детализация компетенций до содержательного уровня позволяет сформулировать задачи обучения дисциплине, которые определяют образовательные модули дисциплины. Мы придерживаемся мнения М. В. Потаповой [103], что «компетенции являются производными от задач, которые решаются специалистом в области его профессиональной деятельности». Количество задач каждого модуля должно соответствовать количеству результатов обучения, идентифицируемых вариативными содержательными компетенциями [4]. В соответствии с учебными задачами модуля в его структуру включаются соответствующие темы. Количество учебных задач каждой темы должно соответствовать количеству результатов обучения, идентифицируемых уровнями сформированно-сти их содержательных компетенций. Формулировки компетенций (умений) определяют требования к отбору компетентностно-ориентированного содержания. В соответствии с этапами проектирования методической системы обучения математической информатике будущих бакалавров информатики проектирование компетентностно-ориентированного содержания образования предполагает прогнозирование компетенций и постановку диагностичных целей обучения, в соответствии с намеченными компетенциями. Согласно СИ. Архангельскому [5], Т.А.
Бороненко [12], за определением целей и ожидаемых результатов обучения (прогнозирование компетенций) определяется технология установления междисциплинарных связей, технология отбора содержания обучения, методов, форм и средств обучения. При отборе содержания учитывалась технология профессиональной направленности изучения предспециалъных учебных дисциплин, предложенная В.И.Земцовой, [48] (для профессиональной направленности личности студента технических специальностей), которая реализуется в трех направлениях: - методологическая насыщенность содержания учебной дисциплины, развивающее научное мировоззрение студентов, методологические знания, умения для осуществления исследовательских функций в профессиональной деятельности; - междисциплинарное взаимодействие дисциплин всех блоков ФГОС ВПО, позволяющее раскрыть роль учебных дисциплин предспециальной подготовки в качественном усвоении дисциплин общепрофессионального и специального блоков, а также в будущей профессиональной деятельности; - использование комплекса учебно-профессиональных задач, решение которых существенным образом влияет на мотивацию изучения дисциплин предспециальной подготовки. К вышеуказанным направлениям необходимо добавить фундаментальность образования в области математической информатики [51], которая обеспечивает: - системный уровень познания действительности, способности видеть и понимать основы интеграции математических и информатических наук; - формирование существенных, устойчивых, долгоживущих знаний, лежащих в основе научного объяснения теоретических и практических задач информатики; - создание когнитивной базы профессиональной культуры и профессионального мастерства и т.д. Также учтены структура, содержание, ядро базовых знаний рекомендованные для международной образовательной системы подготовки бакалавров ИТ, согласно которым в «составе курса математики ввести модуль Дискретные структуры» [195]. Для определения содержания образования, согласно В.В. Краевскому, необходимо выполнение трех условий [64]: 1) установление некоторого объема достаточно стабильных фундаментальных и инструментальных знаний, необходимых для понимания и усвоения развивающихся областей науки, а также для приобретения соответствующих знаний и умений; 2) выявление основных направлений, идей и тенденций развития соответствующих областей науки и техники; 3) предъявление определенных требований к уровням общего и научного развития студентов, к их мировоззрению и кругозору, обеспечивающих их творческое развитие как специалистов и работников умственного труда. К перечисленным условиям, в условиях компетентностного подхода в образовании, целесообразно добавить, что специалист каждого нового выпуска должен не только обладать современными научными знаниями и набором определенных компетенций, но и: 4) применять полученные знания, в своей будущей педагогической деятельности, в новых постоянно изменяющихся и прогрессирующих условиях. Четвертое условие характеризует профессиональную компетентность выпускника, В.В. Сухомлин [164] определяет его как исходную или рабочую компетенцию. Придерживаясь мнения В.П. Беспалько, можем сказать, что содержание образования дисциплины - это информационная модель педагогической системы» [8]. Содержание образования, должно строиться в соответствии с ди-агностично сформулированными целями, с дидактически отработанным содержанием, с учетом организационной формы, в которой он предполагается использоваться, с четким воплощением принятой технологии обучения.
Построение логической структуры курса мы начали в п. 1.2. с выделения разделов (тем) и соответствующих им учебных элементов, что приведено в Приложение 1. В целях определения «веса», выделенных нами математических компонентов информатики создана экспертная группа преподавателей профильных дисциплин информатики, которые ограничились упорядоченной шестибальной шкалой со значениями от «О» до «5», таблица 6 (Полная таблица вынесена в Приложение 3). Высшая оценка соответствует критической важности данной темы в подготовке бакалавра заданного профиля, определяя необходимость максимального акцента данной темы в учебных программах. Данная модель позволяет определить «вес» разделов математической информатики в системе дисциплин профильной подготовки бакалавров информатики. Для удобства внесения названий дисциплин профильной подготовки в столбцы в правой части таблицы введены сокращения: «Теоретические основы информатики» — ТОЙ, «Языки и методы программирования» — ЯиМП, «Архитектура вычислительных систем» — АВМ, «Информационные системы и сети» — ИСиС, «Компьютерное моделирование» — КМ.
Разработка критериев оценки достижения результатов обучения математической информатике будущих бакалавров информатики
В ходе педагогического эксперимента проверялось влияние методической системы обучения математической информатике на достижение результатов обучения математической информатике и на развитие специальных компетенций будущих бакалавров информатики.
Объектом оценивания при этом являлся уровень развития гностического, функционального, методологического компонентов результатов обучения математической информатике и непосредственное влияние его (уровня) на формирование специальных компетенций будущих бакалавров информатики.
Для диагностики качества результатов обучения, задаваемых с помощью компетенций, предназначен Тарификатор ТАФО [165], описанный нами в п. 1.3, который предполагает разработку дескрипторов уровня развитости компонентов компетенции. Данные уровни выделены и для результатов обучения математической информатике, т.к. результаты обучения имеют ту же трехкомпонентную структуру, что и компетенции. Основные трудности в разработке дескрипторов связаны со сложной компонентной структурой компетенции (результатов обучения). Дескрипторы уровня освоения учебного материала действуют внутри образовательной программы, ведущей к определенному уровню квалификации, и описывают достигнутые обучающимся результаты после освоения любого модуля или учебного элемента этой программы. Их использование позволяет ответить на вопрос о том, на каком уровне усвоены знания, умения. Основанием для различения уровней усвоения содержания фрагмента образовательной программы выступают демонстрируемая студентом полнота воспроизведения знаний, умений, степень понимания полученных знаний, способность к анализу освоенного учебного материала и т.п. [167].
Проверка формирования специальных компетенций и достижений результатов обучения математической информатике осуществлялась через решение двух сопряженных задач: 1) описать планируемый результат в совокупности его признаков настолько определенно, чтобы не возникало возможности его различных толкований; 2) создать инструментарий, позволяющий выявлять соответствующие признаки и определять их количественный показатель.
Компетенция как показатель качества обучения является сложной, структурированной, дидактической категорией, включающей следующую компонентную структуру: гностический, функциональный и методологический компоненты, о чем было сказано в п. 1.3. Соответствии с этим, контрольно-измерительные материалы для определения качества сформирован-ности компетенции должны также состоять из трех частей, каждая из которых позволяет измерить и описать уровень развитости каждого из компонентов измеряемой компетенции на 3-х ее уровнях. Проверка данного положения осуществлялась посредством тестовых заданий, практических и творческих работ. В таблице 16 описаны дескрипторы развитости гностического, функционального и методологического компонентов результатов обучения математической информатике.
Проверка качества сформированности специальной компетенции СК -2 «способен использовать математический аппарат, методологию программирования и современные компьютерные технологии для решения практических задач получения, хранения, обработки и передачи информации», из числа специальных компетенций основной образовательной программы подготовки бакалавров «Педагогическое образование» профиль «Информатика», разработанной на факультете информатики Челябинского государственного университета, также проводилась по трем уровням развитости компонентов.
Минимально допустимое значение коэффициента сформированности компетенции, согласно мнению многих исследователей В.П. Беспалько[8], Ю.Г. Татур [165] принимается за 0,7 (70 %).
Тарификатор ТАФО позволяет построить индивидуальные характеристики способностей студентов. Как отмечает Ю.Г. Татур, процесс развития уровней компонентов компетенции носит не одномерный характер, а представим в виде матрицы (в соответствии с таблицей 16: А - «должен знать», В - должен уметь», С - «должен владеть»: 1, 2, 3 - соответствующие уровни) А1 А2 A3 В1 В2 ВЗ CI С2 СЗ, где, например, комбинация элементов А1В2С2 или А1ВЗСЗ, ... - недопустимы, т.к. компоненты не являются независимыми категориями: студент, не знающий теоретических основ 2-го, 3-го уровней, не в состоянии решать соответствующие задачи и владеть методологией на этих уровнях. «Научные знания лежат в основе любой компетенции, они первичны, поскольку для достижения определенного уровня умения необходим соответствующий уровень знаний» [165].
В нашем исследовании мы не проводили эксперимента по построению индивидуальных результатов обучения и 2-го и 3-го уровней развитости компонент компетенции. Это задача будет решаться в перспективе.
Перейдем к более детальному рассмотрению оценки уровней развитости гностического, функционального и методологического компонентов результатов обучения математической информатике и их влияния на формирование специальных компетенций бакалавров информатики в контрольной и экспериментальной группах. На формирующем этапе эксперимента нами было проведено исследование процесса обучения будущих бакалавров информатики дисциплине «Элементы математической информатики» и профильной дисциплине «Языки и методы программирования».
Эксперимент проводился в 2-х группах студентов, одна из которых обучалась по экспериментальной методике, - экспериментальная группа (ЭГ), а другая обучалась по традиционной методике - контрольная группа (КГ). В контрольную группу вошли 39 студентов факультета информатики ЧГПУ «Информатика. Английский язык», в экспериментальную группу - 47 студентов факультета информатики, «Информатика. Менеджмент».
Входной контроль знаний проводился в начале учебного года, с целью установления уровня начальных знаний в области математической информатики, по разработанным комплексным тестам и содержал 48 тестовых заданий - 24 теоретических вопроса и 24 вопроса на проверку практических умений. Данные задания позволяли проверить уровни развитости гностического и функционального компонентов начальных знаний в области математической информатики. На каждый вопрос предлагалось 4-5 вариантов ответа.
Важным условием формирования групп являлось обеспечение их статистической однородности по начальному уровню предметной (в области математической информатики) и профильной подготовки. В качестве нулевой Но была принята гипотеза об отсутствии значимого различия в теоретических знаниях и умениях в области математической информатики у студентов контрольной и экспериментальной групп, альтернативная гипотеза Hi состояла в следующем: у студентов названных групп существует достоверное различие полноты теоретических знаний и умений в области математической информатики.
Похожие диссертации на Формирование специальных компетенций будущих бакалавров профиля "Информатика" в процессе обучения математической информатике
