Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Теоретические предпосылки информатизации учебного процесса по курсу «Численные методы» в педагогическом вузе ...9
1.1. Анализ основных направлений информатизации педвузов .. .9
1.2. Принципы формирования информационно-коммуникационной предметной среды курса «Численные методы» 23
1.3.Нелинейные технологии обучения курсу «Численные методы» 37
Глава 2. Методическая система обучения курсу «Численные методы» в условиях информационно-коммуникационной предметной среды 49
2.1. Информационно-коммуникационная предметная среда курса «Численные методы» 49
2.2. Основные компоненты методической системы 78
2.3. Методические особенности обучения курсу «Численные методы» в условиях информационно-коммуникационной предметной среды 87
2.4. Результаты экспериментального исследования эффективности методической системы 98
Заключение 105
Библиографический список использованной литературы 106
Приложения 131
- Анализ основных направлений информатизации педвузов ..
- Принципы формирования информационно-коммуникационной предметной среды курса «Численные методы»
- Информационно-коммуникационная предметная среда курса «Численные методы»
Введение к работе
В концепции модернизации российского образования определена главная задача образовательной политики - обеспечение современного качества образования на основе сохранения его фундаментальности и соответствия актуальным и перспективным потребностям личности, общества и государства.
Курс «Численные методы» является одним из базовых при подготовке учителей математики, физики и информатики в педагогических вузах. Материал курса тесно связан с основными понятиями алгебры, математического анализа, теории дифференциальных уравнений и нацелен на формирование фундаментальных знаний о численных методах решения математических задач средствами вычислительной техники.
Изучение курса «Численные методы» в педагогическом вузе должно обеспечить необходимый уровень знаний, умений и навыков, гарантирующий:
овладение научным фундаментом вычислительной математики,
понимание ее фактов, идей, методов,
способность решения прикладных математических задач путем эффективного применения компьютерных технологий.
Таким образом, курс «Численные методы» способствует формированию достаточно высокого уровня математической вычислительной культуры и научного мировоззрения студентов.
Проблема повышения качества обучения фундаментальным курсам в современных условиях является актуальной и требует новых подходов и идей.
Одним из путей решения этой проблемы является использование в образовании информационно-коммуникационных технологий, которые позволяют реализовать в учебном процессе педвуза:
деятельностный подход;
принципы личностно-ориентированного обучения;
увеличить долю самостоятельной работы студентов.
Как показывает практика, применение компьютерных обучающих средств в традиционных методических системах обучения, не приносит должного эффекта. Достижения последнего десятилетия в области создания и развития принципиально новых педагогических и информационных технологий предполагают формирование информационной образовательной среды для более полной реализации педагогического потенциала компьютерных обучающих средств.
Теоретическим проблемам и практическим вопросам использования информационно-коммуникационных технологий в образовании посвящены работы К.Е. Афанасьева, Я.А. Ваграменко, В.А. Далингера, Ю.Л. Ершова А.Д. Иванникова, С.Д. Каракозова, А.А. Кузнецова, М.П. Лапчика, Э.А. Манушина, Д.Ш. Матроса, Е.И. Машбица, Н.И. Пака, И.В. Роберт, И.А. Румянцева, А.Ю. Уварова, Е.К. Хеннера и др. Основное внимание в этих исследованиях уделяется не только вопросам создания электронных средств учебного назначения и эффективных методик их применения, но и проектирования информационной образовательной среды, в которую могут встраиваться эти средства.
Курс «Численные методы» немыслим без активного использования компьютера и его программного обеспечения. В последнее время при обучении основам численных методов начинают доминировать тенденции использования различных специализированных математических (Derive, MathCad, Mathematica, Maple) и инструментальных (Excel) пакетов решения вычислительных задач. В этой связи сложилось мнение, что подобные курсы не нуждаются в разработке методических систем, использующих современные информационные и коммуникационные технологии. Однако их возможности в равной степени могут оказаться востребованными в любой предметной дисциплине вообще и в курсе «Численные методы» в частности. К сожалению, информационные технологии с трудом внедряются в традиционную систему обучения курсу «Численные методы». Низкий уровень их использования
объясняется рядом причин: неподготовленностью преподавателей, несовершенством электронных средств обучения, их оторванностью от особенностей предмета, учебного процесса, методик обучения, увеличением дополнительной нагрузки на преподавателя.
Таким образом, разработка и создание методической системы обучения курсу «Численные методы» в условиях информационно-образовательной среды вуза являются актуальными.
Анализ системы подготовки будущих учителей в области вычислительной математики позволил выявить следующие противоречия:
между требованиями образовательных стандартов высшей школы к фундаментальности дисциплин предметного цикла, в частности курса «Численные методы», порождающими увеличение объема знаний и времени на их усвоение, и недостатком количества часов, отводимых на их изучение;
между потенциальными возможностями новых педагогических и информационных технологий обучения и реально сложившейся практикой обучения курсу «Численные методы».
Проблема исследования состоит в разрешении этих противоречий путем разработки и внедрения в учебный процесс методической системы обучения курсу «Численные методы» в условиях информационно-коммуникационной предметной среды.
Объект исследования - учебный процесс по курсу «Численные методы» в педагогическом вузе.
Предмет исследования — методическая система обучения курсу «Численные методы» в условиях информационно-коммуникационной предметной среды.
Цель исследования - развитие методической системы обучения курсу «Численные методы» на основе использования информационных технологий.
Гипотеза исследования: если в учебном процессе использовать методическую систему обучения курсу «Численные методы», разработанную в условиях специально спроектированной информационно-коммуникационной предметной среды, то следует ожидать повышения качества обучения, уровня самостоятельности и производительности учебного труда студента по этому курсу.
В связи с поставленной целью и выдвинутой гипотезой были сформулированы следующие задачи:
Провести анализ основных направлений информатизации педагогических вузов, методических систем обучения предметным дисциплинам с целью выявления путей повышения качества обучения при использовании современных информационных и коммуникационных технологий.
Обосновать основные принципы создания информационно-коммуникационной предметной среды по курсу «Численные методы» и выявить ее необходимые компоненты.
Выявить условия эффективного использования нелинейных технологий обучения курсу «Численные методы».
Разработать информационный ресурс среды, обеспечивающий реализацию параллельного способа обучения.
Разработать методическую систему обучения курсу «Численные методы» в условиях информационно-коммуникационной предметной среды.
Проверить экспериментально эффективность использования разработанной методической системы.
В процессе работы над диссертацией для решения поставленных задач использовались следующие методы исследования: анализ психолого-педагогической, научно-методической и предметной литературы по исследуемой проблематике, обобщение опыта информатизации образования, различных подходов к решению проблем разработки и использования электронных обучающих средств, педагогический эксперимент, математико-статистические методы, системный анализ.
Методологической основой исследования являются фундаментальные
исследования в области философии образования и психолого-педагогических
Щ наук (СИ. Архангельский, Ю.К. Бабанский, В.П. Беспалько, Л.С. Выготский,
П. Я. Гальперин, Б.С. Гершунский, В.М. Монахов, М.Н. Скаткин, Л.Ф. Спирин, Н. Ф. Талызина и др.); информатизации педагогического образования (Я.А. Ваграменко, А.П. Ершов, С.Д. Каракозов, М.П. Лапчик, Н.И. Пак, Е.С. Полат, И.В. Роберт, И.А. Румянцев, Е.К. Хеннер и др.); теории и методики обучения математике (Б.В. Гнеденко, В.А. Далингер, В.Р. Майер, А.Г. Мордкович, Л.М. Фридман, Г.Г. Хамов, Л.В. Шкерина и др.).
Научная новизна состоит в исследовании способа повышения
эффективности обучения курсу «Численные методы» за счет создания
Ф информационно-коммуникационной предметной среды курса.
Теоретическая значимость заключается в:
обосновании структуры и содержания информационно-коммуникационной предметной среды и основных принципов ее формирования для курса «Численные методы»;
обосновании использования в методической системе курса «Численные методы» параллельного способа обучения.
Практическая значимость состоит в том, что разработанная
W методическая система обучения курсу «Численные методы» в условиях
информационно-коммуникационной предметной среды внедрена в учебный
процесс Института математики, физики и информатики Красноярского
государственного педагогического университета, Лесосибирского
педагогического института при Красноярском государственном университете, а также может быть использована в других педвузах.
Достоверность положений, результатов и выводов проведенного исследования обеспечивается опорой на достижения психолого-педагогической науки, внутренней непротиворечивостью логики исследования, проведением педагогического эксперимента, использованием математических методов
обработки результатов и педагогических критериев в их количественной и качественной интерпретации.
Положения, выносимые на защиту:
Информационно-коммуникационная предметная среда является необходимым условием эффективного использования информационных технологий в обучении курсу «Численные методы».
Методическая система обучения в условиях информационно-коммуникационной предметной среды курса «Численные методы», в которой одним из главных методов обучения является параллельный способ, позволяет повысить качество обучения курсу, уровень самостоятельности и производительность учебного труда студентов.
Апробация и внедрение результатов исследования: основные теоретические положения и результаты диссертационного исследования докладывались и обсуждались на заседаниях кафедры информатики и вычислительной техники КГПУ (1998 - 2002 гг.); на конференциях «Информационные технологии в образовании» (Москва, 2000, 2001 гг.), «Образование в 21 веке - глазами детей и взрослых» (Москва, 2001 г.), «Новые информационные технологии в университетском образовании» (Новосибирск, 2001 г., Кемерово, 2002 г.), «Информационные технологии в высшей и средней школе» (Нижневартовск, 2001 г.); а также были опубликованы в «Научном ежегоднике Красноярского государственного педагогического университета» (Красноярск, 2001, 2002 гг.), в журналах "Педагогическая информатика" (№1. 2001 г.), «Открытое образование» (№ 2, 2003 г.).
Экспериментальная проверка теоретических положений исследования и их внедрение проводились с 1997 по 2003 гг. на факультетах математики и информатики Института математики, физики и информатики Красноярского государственного педагогического университета.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, двух глав, заключения, библиографического списка использованной литературы и приложений.
Анализ основных направлений информатизации педвузов
Современное общество характеризуется рядом особенностей, к которым следует прежде всего отнести возросшую значимость интеллектуального труда, ориентированного на использование информационного ресурса глобального масштаба, потребность в осуществлении оперативной коммуникации между отдельными личностями, группами или сообществами людей; необходимость решения глобальных экологических, политических, технологических проблем совместными усилиями специалистов разных стран или организаций. Эти особенности влекут за собой потребность большинства членов современного общества интенсивно познавать и реализовать возможности информационных и коммуникационных технологий для повышения своего общекультурного и профессионального уровня. Следствием процессов информатизации и глобализации современного общества является активное развитие информатизации образования.
Информатизация образования, согласно концепции, разработанной в 1998 г. ГосНИИ системной интеграции, понимается как процесс, направленный на повышение качества образования, проведение исследований и разработок, внедрение, сопровождение и развитие, замену традиционных информационных технологий на более эффективные во всех видах деятельности в национальной системе образования России. В организационном плане информатизация образования представляет собой систему научно-технических программ, которые состоят из научно-исследовательских, научно-технических и материально-технических проектов.
Информатизации образования отводится важнейшая роль в решении задачи обеспечения современного качества образования на основе сохранения его фундаментальности и соответствия актуальным и перспективным потребностям личности, общества и государства. Поэтому правительством была принята федеральная целевая программа «Развитие единой образовательной среды (2001-2005)». Данная программа включает в себя основные направления работы по обеспечению задач модернизации образования, которые существенно дополняются со стороны федеральной программы «Электронная Россия».
Вопросами укрепления научно-методического направления информатизации образования, обобщения опыта создания и эксплуатации информационных сетей в образовании, экспертизы результатов разработок, привлечения мирового опыта информатизации образования занимается научное сообщество -Академия информатизации образования.
Теоретические и практические вопросы информатизации образования освещаются в работах ЯЛ. Ваграменко, А.П. Ершова, С.Д. Каракозова, М.П. Лапчика, А.В. Могилева, Н.И. Пака, И.В. Роберт, И.А. Румянцева, И.Г. Семакина, Е.К. Хеннера и других ученых [33; 48; 76; 108; 139; 160; 161; 193; 194; 195; 250].
Основные задачи информатизации образования как процесса интеллектуальной деятельности обучающего и обучаемого, развивающегося на основе реализации возможностей информационных и коммуникационных технологий, с точки зрения И.В. Роберт, следующие:
- научно-педагогические, методические, нормативно-технологические и технические основания развития образования в условиях массовой коммуникации современного информационного общества;
- методологическая база отбора содержания образования, разработка методов и организационных форм обучения, воспитания, соответствующих задачам развития личности обучаемого в современных условиях информационного общества массовой коммуникации и глобализации;
- обоснование и разработка моделей инновационных и развитие существующих педагогических технологий применения средств информатизации и коммуникации в различных звеньях образования, в том
числе форм, методов и средств обучения, функционирующих на базе современных информационных и коммуникационных технологий;
- создание методических систем обучения, ориентированных на развитие интеллектуального потенциала обучающегося, на формирование умений самостоятельно приобретать знания, осуществлять деятельность по сбору, обработке, передаче, хранению информационного ресурса, по продуцированию информации;
- разработка исследовательских, демонстрационных прототипов электронных средств образовательного назначения, в том числе программных обучающих и инструментальных средств и систем;
- использование распределенного информационного ресурса Всемирной сети Интернет в образовательных целях и разработка технологий информационного взаимодействия образовательного назначения на базе глобальных телекоммуникаций;
- продуцирование педагогических приложений в сетях на базе потенциала распределенных информационных ресурсов открытых образовательных систем телекоммуникационного доступа;
- разработка средств и систем автоматизации процессов обработки учебного (исследовательского, демонстрационного, лабораторного) эксперимента как реального, так и виртуального;
- создание и применение средств автоматизации психолого-педагогических тестирующих, диагностирующих методик контроля и оценки уровня интеллектуального потенциала обучающегося;
- реализация возможностей компьютерной психолого-педагогической диагностики при определении типа личности, ее интеллектуального уровня и развития;
- осуществление оценки качества средств вычислительной техники, информационных и коммуникационных технологий, используемых в сфере образования;
Принципы формирования информационно-коммуникационной предметной среды курса «Численные методы»
С целью анализа существующих систем подготовки студентов различных вузов в области вычислительной математики изучались и анализировались программы по вычислительной математике, учебные пособия и лабораторные практикумы по курсам «Вычислительная математика», «Методы вычислений», «Численные методы», государственные стандарты. [57; 58; 59; 60; 78; 84; 119; 135; 136; 172; 187; 235].
Анализ опыта преподавания вычислительной математики в различных вузах показывает, что в настоящее время еще не выработан единый подход к преподаванию вычислительной математики как фундаментальной дисциплины. В большинстве случаев он сводится к изучению и программированию классических методов численного решения задач алгебры и анализа, в содержании обучения этим курсам практически не представлены математические основания построения и исследования численных методов, в результате чего курсы принимают ярко выраженную технологическую направленность.
Многообразие и постоянное обновление численных методов решения математических задач, совершенствование программных средств показывают, что основу содержания курса должны составлять не конкретные алгоритмы решения, а общие идеи, лежащие в основе доведения решения математических задач до числового результата. К ним относится математическое обоснование методов вычислительной математики, позволяющее раскрыть природу алгоритма и особенности его реализации в различных вычислительных системах. Анализ проблем подготовки по вычислительной математике в научно-методической литературе и вузовской практике позволяет сделать вывод о том, что существуют два направления отбора содержания курса. Представители первой концепции считают, что обучение должно быть ориентировано на изучение математических оснований построения классических численных методов. Сторонники другого направления полагают целесообразным обучение алгоритмам классических численных методов и их программированию. Программы педвузов в основном отражают мнение представителей второго направления.
Цели и задачи системы подготовки студентов в области вычислительной математики, несомненно, зависят от направленности вуза. В педагогических вузах цель курса «Численные методы» — формирование у студентов представлений о методах решения математических задач на ЭВМ. Основные задачи курса в этом случае - углубление математического образования и развитие практических навыков решения задач в области прикладной математики. Студенты должны быть готовы использовать полученные в этой области знания как при изучении смежных дисциплин, так и в профессиональной деятельности, в частности, при обучении математике и информатике старшеклассников средней школы. В классических университетах большее внимание уделяется фундаментальной, теоретической подготовке в области вычислительной математики, в технических вузах превалирует прикладной аспект.
В соответствии с целью, задачами и содержанием курсов вычислительной математики в различных вузах используются различные методы и средства обучения. Достаточно широко в классических университетах используются возможности открытой образовательной среды. Так, существует сервер Московского государственного университета по численному анализу [284], электронный научный журнал "Вычислительные методы и программирование" [285]. Вузы, открывшие свои виртуальные представительства в информационно-образовательной среде открытого образования, размещают на своих учебных серверах программы курса, электронные варианты лекций, практикумы по предмету [275; 277-283]. Интересен опыт разработки электронных учебников по вычислительной математике в Красноярском, Кемеровском, Томском государственных университетах [62; 137], опыт преподавания курса «Численные методы» в Омском государственном педагогическом университете с использованием современных подходов к изучению курса [109].
Выбор программных средств, используемых при решении задач вычислительной математики, также определяется направленностью вуза. В классических университетах, как правило, используют при решении задач вычислительной математики языки программирования, поскольку только таким путем можно решать действительно сложные научные задачи. В технических вузах, где превалируют прикладные аспекты, задачи вычислительной 0 математики решаются в основном с помощью специализированных математических пакетов. В педагогических вузах, учитывая возможность применения полученных в этой области знаний в будущей профессиональной деятельности, представляется актуальным использование электронных таблиц [156; 225; 228].
В последнее время складывается устойчивая тенденция к пересмотру средств и методов обучения курсу «Численные методы». Совершенствование учебного процесса связывают с возможностью активного использования ф информационных технологий, компьютерных средств обучения, методов открытого образования. В новых условиях необходимы новые подходы к организации учебного процесса, разработка концептуальных основ обновления методических систем.
Одним из таких подходов служит метод «Открытой платформы», разработанный А.А. Ахаяном и успешно реализованный в образовательном процессе Российского государственного педагогического университета им. Герцена [282]. Суть метода заключается в том, что, кроме очевидного использования Internet-технологий в дистанционном и заочном образовании, эффективным средством повышения качества образования является сопровождение (поддержка) очного образовательного процесса средствами Internet-технологий.
Можно обозначить две основные предпосылки становления интернет-сопровождения очного образовательного процесса в педагогическом вузе. Первая из них носит предписывающий характер и обусловлена настоятельной необходимостью подготовки учителя, способного к ведению педагогической деятельности в условиях совершенно новой информационной обстановки в обществе. По сути, такая подготовка означает формирование у будущего учителя навыков быстрой ориентации в информационном потоке глобальной сети, анализа этого потока с точки зрения содержания образования, приобретение будущим учителем знаний о дидактических возможностях различных телекоммуникационных технологий и их возможных функциях в учебно-воспитательном процессе, формирование у будущего учителя умений применять телекоммуникационные технологии для успешного решения педагогических задач в условиях мощного информационного воздействия на учащихся со стороны Глобальной сети. Представляется, что перечисленные умения и навыки будущего учителя могут сформироваться в процессе обучения в университете лишь в том случае, если сама организация учебного процесса предопределяет их формирование. Вторая предпосылка носит разрешающий характер и отражает прогресс в области телекоммуникационных технологий и сервиса, достигнутый в результате проведения за последнее десятилетие ряда программ федерального уровня.
Информационно-коммуникационная предметная среда курса «Численные методы»
Проектирование информационно-коммуникационной предметной среды курса «Численные методы» проводилось согласно принципам и подходам, сформулированным в первой главе и в соответствии со структурой, приведенной на рисунке 3 (см. стр.38). Основным содержательным компонентом ИКПС является информационный образовательный ресурс, оформленный в виде учебного Web-сайта (рис. 5). учебники относятся непосредственно к предметной среде изучаемого курса.
Тестирование и рейтинги - к информационной среде КГПУ. При разработке электронного учебника по курсу «Численные методы» учитывались теоретические основы проектирования и использования программных средств учебного назначения, изложенные в работах Б.С. Гершунского, В.А. Далингера, И.В. Роберт, Д.Ш. Матроса, Е.И. Машбица, Л.Х. Зайнутдиновой, Н.И. Пака и др. [34; 48; 67; 79; 130; 133; 159; 161; 195]. Все многообразие существующих программных средств обучения Б.С. Гершунский классифицирует по целевому признаку следующим образом: управляющие, демонстрационные, генерирующие, операционные, контролирующие и моделирующие [48. С. 67].
Приступая к созданию систем, реализующих технологии обучения, следует уделить внимание тем международными стандартам, которые разработаны в области приложений [229].
Проблемами управления качеством образовательных услуг занимается Международная организация по стандартизации (Inemational Organization for Standdartization, ISO). Техническую поддержку Международной организации по стандартизации оказывает Институт инженеров по электротехнике и радиоэлектронике (The Institute of Electrical and Electronics Engineers, IEEE). Один из научных комитетов IEEE занимается проблемами стандартизации образовательных технологий. Результатом деятельности этого комитета является рабочий стандарт IEEE P1484.1/D8.
IEEE P1484.1/D8, 2001-04-06 - это рабочий стандарт для технологий обучения, который посвящен архитектуре систем, реализующих технологии обучения (Learning Technology Systems Architecture - LTSA).
Стандарт IEEE P1484.1/D8 охватывает обучающие, тренинговые интеллектуальные системы, системы компьютерного тестирования. Основные задачи стандарта:
- структуризация архитектуры систем, реализующих технологии обучения, выделение типовых, базовых функциональных блоков, что позволяет выработать единые подходы, требования, критерии для оценки существующих систем и формирует представления о будущих системах;
- определение требований к интерфейсу;
- определение технических перспектив на ближайшие несколько лет.
Исходя из анализа международных стандартов разработки компьютерных систем, реализующих технологии обучения, можно сделать вывод, что успешное создание и использование компьютерных технологий обучения должно начинаться с глубокого анализа целей обучения, дидактических возможностей новых технологий передачи учебной информации, требований к технологиям обучения с точки зрения обучения конкретным дисциплинам, корректировки критериев обученности. [234]
К числу дидактических принципов, лежащих в основе компьютерных технологий обучения, следует отнести:
- принцип наглядности;
- принцип активности;
- принцип самостоятельности;
- принцип сочетания коллективных и индивидуальных форм учебной работы;
- принцип мотивации;
- принцип развития познавательных сил;
- принцип связи теории с практикой;
- принцип прочности результатов обучения,
- принцип сознательности;
- принцип систематичности [234. С. 49].
Одним из наиболее популярных компьютерных средств обучения стали электронные учебники, позволяющие реализовать функции обучения, самообучения, демонстрации изучаемого материала, тренировки в применении изученного материала, контроля и самоконтроля, систематизации усвоенных знаний и являющиеся таким образом многоцелевым средством обучения.
