Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. ОСНОВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ МЕТОДИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ИНФОРМАЦИОННОЙ ПОДГОТОВКИ СТУДЕНТОВ ФИЗИЧЕСКИХ СПЕЦИАЛЬНОСТЕЙ 12
1.1 Информационная подготовка студентов физических специальностей 12
1.2 Содержание обучения в процессе информационной подготовки студентов физических специальностей 37
1.3 Методы обучения при информационной подготовке студентов физических специальностей 51
Выводы по главе 1 68
ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ПРАКТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ИНФОРМАЦИОННОЙ ПОДГОТОВКИ СТУДЕНТОВ ФИЗИЧЕСКИХ СПЕЦИАЛЬНОСТЕЙ ПЕДАГОГИЧЕСКИХ ВУЗОВ 69
2.1 Использование математических систем Mathcad 8 PRO и Derive для решения задач с физическим содержанием. Автоматизация постановки алгебраических выражений и вычислений 69
2.2 Решение задач с помощью информационного моделирования 84
2.3 Анализ и обработка результатов педагогического эксперимента.. 97
Выводы по главе 2 110
Заключение. 112
БИБЛИОГРАФИЯ 115
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 126
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 144
ПРИЛОЖЕНИЕ 3 162
- Информационная подготовка студентов физических специальностей
- Содержание обучения в процессе информационной подготовки студентов физических специальностей
- Использование математических систем Mathcad 8 PRO и Derive для решения задач с физическим содержанием. Автоматизация постановки алгебраических выражений и вычислений
Введение к работе
Актуальность исследования. Технический прогресс, стремительное развитие телекоммуникационных технологий предъявляют высокие требования к уровню образования молодежи. Современные задачи, решаемые российским обществом, требуют от выпускников высших учебных заведений овладения конструктивными подходами в выполнении практических задач. Стандарты подготовки учителя определяются потребностью разработки нового содержания и методов обучения информатике студентов физических специальностей. Внедрение интеллектуальных систем, усложнение производства в связи с развитием технологий, а значит и продукта его деятельности, требует от специалистов высокого уровня знаний, самостоятельного рационального познания при овладении спецификой профессиональной деятельности. На современном этапе очень важно развивать способности самостоятельно анализировать ситуацию, опираясь на понимание общих закономерностей и тенденций развития природных, экономических и социальных процессов, а также способности прогнозировать возможные последствия принимаемых решений. Выпускники вузов, вступающие в мир рыночных отношений, должны владеть целостным, системным видением картины мира, уметь применять полученные знания для решения жизненно важных задач.
Сегодня необходимо уделять внимание не только объему знаний, которым должны овладеть студенты, но и тому, как помочь студенту в вопросах самопознания, самообучения, самовоспитания, самообразования. При этом традиционные методы обучения оказываются недостаточными.
Актуальность исследования обусловлена потребностью разработки нового содержания курса информатики и методов обучения в процессе информационной подготовки студентов физических специальностей
(физика и информатика) педагогических вузов по новому образовательному стандарту.
Интенсификация внедрения информационных процессов в науку, экономику, производство требует разработки новой модели системы образования, на основе современных информационных технологий. Необходимо создать условия, в которых человек мог бы раскрыть свой творческий потенциал полностью, развить свои способности, воспитать в себе потребность непрерывного самосовершенствования и ответственности за собственное воспитание и развитие.
Эффективность любого вида обучения зависит от ряда составляющих: технической базы, эффективности разработанных методических материалов, технологий обучения, используемых при организации обучения.
Разработка и применение компьютерных обучающих программ и новых информационно-образовательных средств органично включается в современные технологии обучения.
Современные информационные технологии представляют практически неограниченные возможности размещения, хранения и обработки, доставки информации любого объема и содержания на любые расстояния. В этих условиях на первый план при подготовке специалистов выходит направляемая работа по самообучению. Огромное значение при внедрении современных технологий в образование имеет педагогическая содержательность обучающего материала и создание условий для самообучения. Имеется в виду не только отбор содержания материал для обучения, но и структурная организация учебного материала для обучения, включение в обучение не просто автоматизированных обучающих программ, но именно интерактивных информационных сред, целостное взаимосвязанное функционирование всех процессов познания и управления им. Другими словами, эффективность и качество обучения в
большей мере зависят от эффективной организации процесса
самообучения и дидактического качества используемых материалов.
Решение этих непростых задач во многом зависит от мастерства,
подготовленности педагогов к работе в условиях лавинообразного
нарастания потока информации, педагогов, которые могут и должны стать
на уровень современных методов представления, поиска и переработки
информации. Подготовленность педагогов к работе в новом
информационном пространстве, прогрессивность их взглядов являются необходимым условием разработки и внедрения новых форм и технологий обучения.
Применение компьютерных технологий обучения позволяет видоизменить весь процесс обучения, реализовать модель личностно-ориентированного обучения. Современные средства обучения (компьютеры, телекоммуникационные средства связи, необходимое интерактивное программное и методическое обеспечение) представляют возможность интенсификации занятий разных форм обучения, но имеют наибольшее значение для организации самоподготовки обучающихся в роли методического и организационного обеспечения самостоятельной работы. Безусловно, современный компьютер и интерактивное программно-методическое обеспечение требуют изменения формы общения преподавателя и обучающегося, превращая обучение в деловое сотрудничество, а это существенно усиливает мотивацию обучения, приводит к необходимости поиска новых моделей занятий, проведение итогового контроля повышает индивидуальность и интенсивность обучения.
Одним из главных условий современного образования является именно формирование потребности у обучающегося поиска нового, интересного для себя, поиска собственной траектории обучения.
Максимальную эффективность в трудовой деятельности при развитии информатизации можно достигнуть при грамотном использовании компьютерной техники и при наличии нового информационного мышления. По мнению специалистов Я. Дитрих, Е. Зиндер и др.[140], решающую роль в информатизации общества играет комплексное использование средств вычислительной техники, объединение элементов компьютеризации в проектировании, подготовке производства и управления технологическими процессами.
Таким образом, уровень развития государства в условиях информатизации непосредственно связан с проникновением информационных технологий во все сферы жизни, при этом принципиально важную роль играет опережающая информатизация образования, как основа развития интеллектуального потенциала страны. Изменения, происходящие в обществе в процессе информатизации, существенно влияют на систему образования. В данных условиях необходимо проектировать и строить новую парадигму образования, соответствующую потребностям общественного развития.
Информатизация оказывает значительное влияние на образование,
которое перестает быть средством усвоения готовых общепринятых
знаний и превращается в способ информационного обмена,
предполагающий не только усвоение, но и передачу, представление, генерирование информации в обмен на полученную. Данный процесс превращения порождает качественное изменение подходов к содержанию образования на основе изучения новых технологий обучения, которые представляются средствами предъявления, обработки и усвоения информации.
Психолого-педагогические аспекты образования в условиях процесса информатизации рассматривались в исследованиях Г.Л. Балла, П.Я. Гальперина, Б.С. Гершунского, Е.И. Машбица, Н.ф. Талызиной и др.
Дидактико-методические аспекты нашли свое отражение в работах С.А. Бешенкова, А.Н. Ершова, С.А. Жданова, А.А. Кузнецова, Э.И. Кузнецова, М.П. Лапчика, В.Л. Матросова, И.В. Роберт и др.
С помощью новых технологий обучения вузовское образование должно готовить специалистов качественно нового уровня, владеющего современными методами поиска, обработки использования информации; способного к проектной деятельности на основе системного подхода; умеющего пересматривать накопленную информацию, в условиях развития науки и изменяющейся социальной практики; имеющего навыки работы с компьютерами нескольких типов, различными вспомогательными устройствами, системными и прикладными программными средствами общего назначения; владеющего умениями работы в локальных сетях, системах телекоммуникаций и др.
Все сказанное выше обусловило актуальность данного
исследования, посвященного обоснованию и разработке содержания и методики информационной подготовки будущих учителей физики и информатики.
Анализ теории и практики информационной подготовки студентов физических специальностей показал, что в процессе обучения по предметному блоку студентов физических специальностей возникает противоречие между необходимостью использования информационных технологий с одной стороны, и недостаточной проработанностью соответствующих методических разработок с другой.
Данное противоречие определило проблему данного диссертационного исследования, которая заключается в обосновании структуры и принципов отбора содержания обучения в области информатики при подготовке студентов специальности 032200 - физика (с дополнительной специальностью- информатика), а также в разработке соответствующей методики обучения, в необходимости ликвидировать
определенное несоответствие между уровнем развития современных методов и технологий информатики и степенью их интегрированности в информационную подготовку учителя физики и информатики.
Цель исследования заключается в разработке структуры и содержания обучения в процессе информационной подготовки студентов физических специальностей, а также в практической проверке эффективности использования предложенной методики обучения в процессе информационной подготовки студентов специальности 032200 -физика (с дополнительной специальностью - информатика).
Объект исследования - процесс обучения студентов физических специальностей педагогических вузов.
Предмет - структура и содержание обучения в процессе информационной подготовки будущего учителя физики и информатики.
Гипотеза исследования: если в процессе информационной подготовки студентов физических специальностей целенаправленно и систематически рассматривать взаимосвязь физики и информатики, решать физические задачи с помощью информационных технологий, то система обучения будет способствовать повышению качества обучения, а также уровня использования информационных технологий студентами физических специальностей при изучении дисциплин предметной подготовки.
Для достижения поставленной цели на основании выдвинутой гипотезы были сформулированы следующие задачи:
Изучить и проанализировать опыт преподавания информатики в подготовке будущих учителей физики (с дополнительной специальностью).
Сформулировать общие теоретические положения по построению курса информатики для студентов физических специальностей.
Разработать структуру и выделить содержание обучения процесса информационной подготовки будущих учителей физики и информатики.
Экспериментально проверить эффективность разработанной методической системы курса информатики в подготовке учителей информатики.
Для решения поставленных задач в диссертационном исследовании использовались следующие методы: изучение и анализ научной, философской, дидактической, методической и специальной литературы отечественных и зарубежных авторов; анализ Государственных образовательных стандартов высшего профессионального образования (1990 год, 1995 год, 2000 год), программ, учебных пособий и методических рекомендаций школьного и вузовского курсов информатики, педагогические методы: анкетирование, беседа с преподавателями и учащимися, наблюдение за ходом учебного процесса и деятельностью студентов, 'жспертные оценки; проведение педагогического эксперимента; анализ и обобщение опытно-экспериментальной работы.
Общей теоретико-методологической основой исследования
послужили подход к процессу обучения, отраженный в работах Ю.К. Бабанского, В.П. Беспалько, П.Я. Гальперина, Н.Ф. Талызина, Л.С.Выготского.
Особое значение на нашу работу оказали исследования Э.И. Кузнецова, А.А. Кузнецова, В.Л. Матросова, И.В. Роберт, С.А. Жданова, М.Г. Мухидинова в области информационной подготовки студентов педагогического вуза.
Научная новизна исследования заключается в том, что - выявлены возможности и отобраны информационные технологии, определяющие содержание информационной подготовки студентов
специальности - физика и информатика, как на уровне базового образования, так и на уровне профессиональной подготовки;
разработана структура содержания и методики изучения информатики студентами физических специальностей, включающая уточнение целей, содержания и структуры курса информатики, методы и средства;
сформулированы общие теоретические положения по построению курса информатики для студентов физических специальностей;
разработана и применена система компьютерной диагностики знаний и умений студентов.
Теоретическая значимость: состоит в обосновании целесообразности использования информационно- коммуникационных технологий при решении учебных задач, для анализа информационной модели задач, при решении исследовательских задач с использованием компьютера.
Практическая значимость: определяется в комплексно выраженных методических рекомендациях систем заданий и упражнений для повышения уровня обучения и уровня информационной подготовки, будущих учителей специальностей: физика, физика и математика, физика и информатика. Может быть использована в практике преподавания курса информатики на физическом факультете педагогических вузов.
Обоснованность и достоверность результатов исследования обеспечивалась анализом теоретических положений по проблеме исследования, моделированием процесса обучения в области информатики, будущих учителей физики (с дополнительной специальностью), репрезентативностью выборки обследованных студентов. подтверждением гипотезы исследования. обработкой результатов педагогического эксперимента, результатами внедрения
методических разработок по теме исследования в учебный процесс по специальности 032200 - физика (с дополнительной специальностью)
На защиту выносятся:
1. Содержание и структура курса информатики для студентов
специальностей: физика, физика и информатика, физика и
математика.
2. Методика обучения информатике студентов физических
специальностей педвузов, основанная на использовании
информационных моделей задач физического содержания.
Апробация результатов исследования. Основные результаты исследования обсуждались на научно- практической конференции «Академическая и вузовская наука — народному хозяйству Чеченской Республике: проблемы восстановления и развития» в г. Москва при Российской Академии наук (РАН) 26-27 января 2004г. Основные теоретические положения исследования были заслушаны на научно-практической конференции «Воспитание - стратегическая задача в системе образования» в г. Грозном в 2002г.
Информационная подготовка студентов физических специальностей
Процесс информатизации образования представляет с собой одну из закономерностей социального и научно-технического прогресса.
Современному обществу необходим учитель новой формации, обладающий коммуникативными способностями, способный к активному творческому овладению новыми знаниями, новыми информационными и компьютерными технологиями, к обоснованному использованию их в своей профессиональной деятельности.
Высшее педагогическое образование уже сейчас должно давать студенту - будущему учителю, не только сумму базовых знаний, но и умение самостоятельно воспринимать и осваивать новое.
В докторской диссертации Э.И. Кузнецова [72] разработана теоретическая модель и методическая система подготовки студентов педагогического института в сфере информатики и вычислительной техники, которая может служить основой для разработки системы информационной подготовки учителей различных специальностей.
Большинство специалистов, такие как М.Г. Мухидинов, А.А. Ездов. О.Б. Медведев [114], практически реализующих информационную подготовку будущих учителей физики и информатики, в своих исследованиях отмечают целесообразность применения информационных технологий на всех этапах его подготовки, а также при любых формах преподавания (лекции, семинарские занятия, лабораторные занятия, практические занятия, эксперимент). Наряду с показателями профессионализма (знание своего предмета) учителя обязаны овладеть знаниями, умениями и навыками использования компьютера и информационных технологий в своей предметной области.
Структуру и содержание базового курса информатики, которую получают студенты физических специальностей, определяет информационная поддержка задач, как отмечает в своей работе М.Г.Мухидинов [114].
Практический и теоретический материал информатики в содержание учебной дисциплины должен быть включен таким образом, чтобы его изучение студентами физических специальностей (физика, физика и математика, физика и информатика), велось одновременно с изучением дисциплин предметной подготовки и дисциплин дополнительной специальности (информатики).
Информационная подготовка студентов физических специальностей должна происходить поэтапно, в которых изучение дисциплин предметной подготовки будет базироваться на основах информатики с применением информационных и коммуникационных технологий, таких как: инструментальные программные средства для решения задач, базы данных и СУБД (системы управления базами данных), компьютерные сети и телекоммуникации. [2]
Термин «Информационная поддержка задач» М.Г. Мухидинов в рамках исследования раскрывает как систему научных знаний (теоремы, определения, правила и др.) в совокупности с практическими умениями и навыками в области информатики, необходимыми студенту для решения данного типа задач. В курсе информатики для студентов физических специальностей педвузов стандарта 2000 года, необходимо обсудить предмет и методы информатики как науки об организации процессов получения, хранения, обработки и передачи информации с использованием компьютера. Дать определение информационной технологии как-совокупное ги методов и средств Организации информационных процессов.
Кратко осветив исторические аспекты возникновения информационных технологий, подчеркнуть тесную связь развития информационных технологий и технических средств их реализации с древнейших времен до наших дней.
Целесообразно подчеркнуть, что компьютер является средством, позволяющим реализовать новые информационные технологии, качественно отличающиеся от прежних уровнем автоматизации и интеллектуализации информационных процессов [57].
В курсе информатики для этих направлений необходимо дать краткую характеристику основных направлений информатики таких как:
-разработка и спецификация моделей процессов и явлений реального мира для получения новой информации о закономерностях их возникновения и развития;
-алгоритмизация и программирование моделей для их интерпретации в среде компьютера;
-организация вычислительного и имитационного эксперимента с моделью;
-организация интеллектуального предметно-ориентированного интерфейса пользователя с интерпретирующей средой компьютера;
-организация сетевых структур передачи информации с множеством доступа на основе концепции открытых систем;
-организация процессов хранения и поиска информации на основе концепции баз данных;[56]
-создание новых информационных технологий на основе концепции искусственного интеллекта. Провести аналогию между информационными и материальными ресурсами. На этой основе иллюстрируется возрастание роли и значения информационных ресурсов в современном обществе.
Содержание обучения в процессе информационной подготовки студентов физических специальностей
При отборе содержания обучения необходимо учитывать не только соответствие содержания целям обучения, но и соблюдение дидактических принципов обучения.
Проблема дидактических принципов в педагогике - одна из самых фундаментальных в педагогической науке, и попытки ее решения предпринимались неоднократно. В частности, дидактические принципы компьютерного обучения рассматривались Н.В. Апатовой [1], дидактические принципы личностно-ориентированного обучения в условиях использования средств информационных технологий -С.В.Панюковой [120].
Если придерживаться той точки зрения, в соответствии с которой «принципы педагогического процесса, отражают основные требования к организации педагогической деятельности, указывают ее направления, а в конечном итоге помогают творчески подойти к построению педагогического процесса»[135], то можно смело утверждать, что совокупность дидактических принципов обучения образует своего рода модель - образец процесса обучения.
Сам процесс обучения можно рассматривать как осуществляемый при определенных условиях информационный процесс, в рамках которого обучаемый выступает в качестве «приемника информации»; социальная память - в качестве «источника информации»; содержание образования представляет с собой передаваемую информацию; а преподаватель, учебник, средства новых информационных технологий (СНИТ) выступают в роли «ретрансляторов» (средств передачи) социального опыта.
В качестве одного из необходимых условий реализации процесса обучения выступает принцип познавательной активности обучаемых, содержание которого в процессе обучения информатике при широком применении СНИТ может привести к уменьшению времени, заїрам и ваемого преподавателем на «ретрансляцию» знаний, и увеличению времени индивидуального общения с отдельно взятым студентом, что является возможным фактором повышения познавательной активности обучаемых.
Реализация принципа познавательной активности напрямую связан с возможностью осуществления в процессе обучения принципа доступности, в соответствии с которым обучение и деятельность обучаемых «должны строиться на основе учета реальных возможностей, предупреждения интеллектуальных, физических и эмоциональных перегрузок» [135].
Рассматривая обучение как процесс информационного обмена, необходимо отметить, что принцип доступности отражает требования к передаваемой информации, характеризующиеся терминами «понятность», «соотнесенность с возможностями приемника информации». В этом случае принцип доступности есть необходимое условие реализации принципа познавательной активности, а потому может быть охарактеризован как необходимое условие реализации процесса обучения.
Соблюдение принципа научности требует, чтобы в содержании образования нашли свое отражение не только устоявшиеся знания, но и новейшие достижения соответствующей области знаний [144].
Система обобщенных знаний, которые необходимы учителю физики, физики и информатики включает в себя систему знаний, умений и навыков по информатике [146].
При правильном подборе системы учебных заданий для практической поддержки базового курса информатики в процессе проведения лабораторных, практических занятий и вычислительной практики можно формировать у студентов обобщенные знания, умения и навыки по информатике:
- построение информационных, физических и математических моделей;
- разработка алгоритмов и их программная реализация;
- анализ результатов вычислительного эксперимента с использованием информационных технологий, реализация информационной модели физических задач средствами языка программирования или информационных технологий и др.
Система учебных задач базового курса информатики используется для формирования способов действия при построении информационной модели, изучение языка программирования и информационных технологий. Система строится таким образом, что результатом решения каждой следующей задачи являются новые знания, умения и навыки. Непременное условие при подборе задач соответствие целям обучения [143, 140].
В начальной стадии обучения предлагается решать задачу уже с разработанной информационной моделью (ИМ). На данном этапе целесообразно использовать объемные задачи, так как они позволяют продемонстрировать в наглядной форме все этапы решения задач. Формирование такой задачи включает в себя описание ситуации, которую предстоит анализировать, и систему вопросов отвечая на которые, студент сможет выполнить такой анализ. На примере такой демонстрационной задачи можно не только в полном объеме продемонстрировать механизм построения информационной модели задачи, алгоритма реализующего выбранный метод решения данной задачи и программы для исполнителя, а так же продемонстрировать методику выбора технологии, для его практической реализации.
Использование математических систем Mathcad 8 PRO и Derive для решения задач с физическим содержанием. Автоматизация постановки алгебраических выражений и вычислений
Компьютеры, от микрокалькуляторов до ЭВМ большой производительности, изначально создавались для выполнения трудоемких математических расчетов. Для этого готовились специальные программы на различных языках программирования, например Фортране, Алголе, Бейсике, Форте или Паскале. И по сей день такие сферы применения, как обработка текстовой и графической информации, работа с базами данных и электронными таблицами, остаются, в сущности, некоторым практическим приложением самых тривиальных математических методов. Недаром бытовым синонимом программного обеспечения компьютеров стал термин «математика компьютеров» [50].
Однако высочайшим достижением истинной компьютерной математики и компьютерного «интеллекта» стали системы компьютерной алгебры, выполняющие наряду с традиционными численными расчетами символьные (аналитические) вычисления. К сожалению, эти мощные и «широко развитые» экспертные системы были известны лишь крайне узкому кругу специалистов. Большинство же пользователей считало такие системы полезными лишь для профессионалов.
Тем временем персональные компьютеры решительно проникли в наши дома. В начале главной сферой их применения были игры и прочие мультимедийные приложения. Но сейчас основная масса пользователей ПК начала осознавать, что современный ПК - это не только усовершенствованная пишущая машинка и игровой автомат, а прежде всего гибкое и мощное вычислительное устройство, способное реально помочь в повседневной работе и учебе [47-49]. Так, с помощью компьютера оказалось возможным обучение языкам, физике, химии и даже математике.
Задачи по вопросу как помочь пользователям в обучении современным основам символьных (аналитических) вычислений решает компьютерная алгебра - новейшее направление в информационных технологиях, получившее бурное развитие в 90-е годы именно благодаря появлению ПК. Дьяконов В.П. за последние несколько лет предсказывал в своих работах, что такие системы для ПК должны занять одно из первых мест в арсенале не только математика, но и инженера, научного работника, студента и даже школьника.
Уже появились и используются ряд систем компьютерной алгебры на массовых ПК: muMath, Reduce, MathCAD, Derive, Maple, Mathematica и др.
В отдельных сферах деятельности часто возникают задачи менее общего характера, такие, например, как проведение математических расчетов типа решения систем уравнений, интегрирования, статистической обработки информации и т.п., которые также требуют использования инструментальных программных средств.
Пакет Mathcad.
Mathcad - физико-математический пакет с включенной в последнюю версию системой искусственного интеллекта Smart Math ( разработка NASA), которая позволяет выполнять математические вычисления не только в числовой, но и в аналитической (символьной) форме.
Важное значение разработчики Mathcad придавали удобству работы с ним и простоте освоения. Интерфейс Mathcad прост и понятен, полностью отвечает стандартам среды Windows [52].
Все графики и математические объекты могут быть введены щелчком «мыши» с перемещаемых палитр. Обучение пользователя происходит в процессе работы «на ходу» при помощи многочисленных сообщений системы.
Графическая среда Mathcad позволяет записывать математические формулы в привычном виде, гибко и выразительно представлять данные графически.
Документ Mathcad состоит из областей различного типа, текстовые области создаются нажатием кнопки с буквой «А» на панели инструментов. Математические области возникают, если щелкнуть в свободном месте. Области на экране можно перетаскивать «мышью» или перемещать командами Cut и Insert меню Edit.
Большинство математических формул записываются в рабочем документе Mathcad так же, как на листе бумаги.
При вводе более сложных операций используют кнопки палитр операторов Mathcad, находящихся на экране слева. Для перехода от одной палитры к другой надо щелкнуть на цифре над палитрой.
Стандартные математические функции, такие как cos, sin, arctan, log, exp, можно вводить посимвольно или вставлять из прокручивающегося списка.
