Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВАНИЯ ПОСТРОЕНИЯ МЕТОДИКИ ОБУЧЕНИЯ ФУНКЦИОНАЛЬНОМУ ПРОГРАММИРОВАНИЮ 11
1.1. Методология исследования 11
1.2. Классификация языков функционального программирования13
1.4. Концептуальные линии содержания обучения функциональному программированию 27
1.4.1. Математические основания функционального программирования.. 28
1.4.2. Содержательная линия алгоритмов 38
1.4.3. Содержательная линия структур данных 41
1.4.4. Содержательная линия технологий программирования 45
1.4.5. Содержательная линия контролирующих структур 50
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 1 54
ГЛАВА II. ПРОЕКТИРОВАНИЕ МЕТОДИКИ ОБУЧЕНИЯ ФУНКЦИОНАЛЬНОМУ ПРОГРАММИРОВАНИЮ 56
2.1. Цели обучения функциональному программированию 56
2.2. Отбор содержания обучения функциональному программированию 60
2.3. Отбор методов и форм обучения функциональному Программированию 66
2.4. Отбор средств обучения функциональному программированию 74
2.5. Проекция методической системы обучения на школьный курс информатики 78
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ II
ГЛАВА III. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ПРИ ПЛАНИРОВАНИИ УЧЕБНОГО ПРОЦЕССА 94
3.1. Организация педагогического эксперимента 95
3.2. Использование факторного анализа при отборе содержания обучения 97
3.3.Оптимизация учебной программы по содержанию и по времени методами теории графов
3.3.1. Оптимизация учебной программы по содержанию 102
3.3.2. Оптимизация учебной программы по времени 106
3.4.Методика проведения и результаты формирующего этапа педагогического эксперимента
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ Ш 115
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 116
ЛИТЕРАТУРА 119
ПРИЛОЖЕНИЯ 129
- Методология исследования
- Цели обучения функциональному программированию
- Организация педагогического эксперимента
Введение к работе
Актуальность темы исследования.
Одним из направлений фундаментальной подготовки в области информатики будущих учителей информатики является обучение функциональному программированию [Государственный, 1995]. Однако в настоящее время фундаментальная подготовка учителей информатики в педагогических вузах практически не включает обучение данной парадигме программирования. Языки императивной парадигмы достаточно широко представлены в курсе информатики, языки же декларативной парадигмы, к которым относятся и языки функционального программирования, обычно не рассматриваются. Приведем конкретные данные, подтверждающие этот факт. В учебных пособиях для студентов педагогических институтов [Заварыкин, Житомирский, Лапчик,1989; Фролов,Кузнецов,1989; Информатика, 1991] рассматриваются BASIC, FORTRAN, Pascal и только вскользь упоминается язык LISP. Изложение алгоритмов в учебном пособии [Кушниренко, Лебедев, 1988] ведется на школьном алгоритмическом языке, рассматриваются также вопросы программирования на ассемблере микропроцессора компьютера PDP-11 и на языке FORTRAN. В справочном пособии [Верлань,Апатова,Донской,1989] кратко рассмотрены вопросы обучения программированию на языках BASIC, FORTRAN, Pascal. Таким образом, вопросы методики обучения студентов педагогических вузов языкам логического (резолюционного, функционального, продукционного) программирования остаются пока открытыми. Анализ литературы по программированию и учебных пособий на языке LOGO [Машбиц, Каптелинин, Маргулис,1989; Николов, Сендова, 1989; Дьяконов, 1991; Сопрунов, 1995; ЛогоМиры, 1995; Сопрунов, Щеглова, 1995; Со-прунов, Яковлева, 1995; Добудько, Пугач, 1996; Добудько, 1997; Юдина, 1997; Максимовская, 1998,7,8; 1999,1] показывает, что до сих пор еще не разработано ни одно учебное пособие для обучения студентов педагогического вуза программированию на этом языке. И в связи с этим несомненный интеpec представляет построение методики обучения функциональному программированию будущих учителей информатики на языке LOGO.
По нашему мнению, выбор языков программирования, которые долж Щ вы изучаться в педагогическом вузе при подготовке учителя информатики, базируется на следующих принципах:
1) требованиях государственного стандарта высшего профессионального образования [Государственный, 1995];
2) определении понятия информатика как научной дисциплины, приведенное в работе [Бороненко,Лебедева,Рыжова,Швецкий,1993];
3) квалификационной характеристике учителя информатики [Кузнецов, 1990];
4) принципах профессионально-педагогической направленности обучения информатике (ППНО) [Мордкович,1986] и
5) установленной классификации парадигм программирования.
В работе [Пратт,1979,с. 12-16,96-98] приводятся следующие причины необходимости изучения нескольких парадигм программирования: улучшается понимание конкретного языка, расширяется активный запас полезных конструкций, появляется возможность более обоснованно выбрать язык для решения конкретной задачи, облегчается освоение нового языка.
Кроме того, главной задачей обучения в педагогическом вузе является подготовка студентов для их дальнейшей работы в школе. Исходя из этого, отбор содержания курса информатики в педагогическом вузе должен производиться с учетом концепции школьного курса информатики и его целей.
И хотя, одним из разделов фундаментальной подготовки в области ин форматики будущих учителей информатики является функциональное программирование, однако, как мы уже отметили, подготовка учителей инфор « матики в педагогических вузах в настоящее время не включает обучение функциональному программированию. Таким образом, первое противоречие - это противоречие между многообразием парадигм программирования и однобокостью в обучении языка одной парадигмы программирования. Второе противоречие состоит в недостаточной математической подготовке будущих учителей информатики (в аспекте изучения математических оснований парадигм программирования и состоянием практики обучения этому разделу в педагогическом вузе). Методическая система фундаментальной подготовки в области информатики будущих учителей информатики, базируется, прежде всего, на достаточно серьезном внимании не только к алгоритмическим методам решения задач, но и изучению обоснования этих методов - теории рассматриваемого вопроса. Успешная реализация методической системы фундаментальной подготовки будущих учителей информатики невозможна без серьезной математической подготовки, так как большинство теоретических разделов курса информатики должны излагаться с применением формального математического аппарата.
Третье противоречие - противоречие, между укоренившимся представлением об "игрушечности" языка LOGO и его ценностью, заключающейся в том, что он содержит средства функционального и императивного программирования, и как язык функционального программирования, позволяет решать широкий класс задач обработки списковых структур данных. «Фактически LOGO - это LISP, адаптированный для обучения» [Зайдельман, Само-вольнова, Лебедев, 1993,с.14].
И четвертое противоречие - наличие профессиональной литературы по функциональному программированию, и почти полное отсутствие таковой для педагогического вуза.
Все это приводит к основной проблеме, корни которой лежат в противоречии между необходимостью повышения уровня профессиональной подготовки учителей информатики (в аспекте формирования знаний о функциональном программировании) и состоянием развития теории и практики обучения этому разделу в курсе информатики педагогического вуза. Таким образом, можно говорить о необходимости специального исследования, направленного на ее устранение. Объектом исследования является процесс обучения будущих учителей информатики функциональному программированию на базе языка LOGO.
Предметом исследования является методическая система обучения функциональному программированию будущих учителей информатики на базе языка LOGO.
Гипотеза исследования заключается в том, что методика обучения функциональному программированию (на базе языка LOGO), в основу которой положен фундаментальный подход к обучению, может быть построена, если
- включить в содержание обучения математические основания функционального программирования,
- выявить возможности используемого средства для реализации содержательных линий алгоритмов, структур данных, технологий программирования, контролирующих структур.
В связи со сказанным, цель исследования заключается в построении методики обучения функциональному программированию будущих учителей информатики на базе языка LOGO.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
Первая группа (задачи теоретического характера):
1. Выбрать модель методической системы обучения, определить этапы методического исследования;
2. Рассмотреть классификацию языков функционального программирования;
3. Обосновать возможность использования языка LOGO в качестве средства обучения функциональному программированию на пропедевтическом уровне подготовки будущих учителей информатики;
4. Определить основные линии в обучении функциональному программированию и их содержание. Вторая группа (конструктивного характера) - собственно отбор содержания методической системы обучения функциональному программированию будущих учителей информатики на базе языка LOGO, в основу которой положена концепция смены парадигм программирования.
Частные задачи, возникшие здесь, относятся к исследованию отдельных элементов методической системы обучения функциональному программированию будущих учителей информатики: 1) сформулировать цели обучения; 2) отобрать содержание обучения; 3) отобрать методы, формы и средства обучения.
Третья группа (практического характера) - проверить экспериментально эффективность разработанной методики.
Для решения задач исследования использовались следующие методы: анализ специальной литературы по математике, информатике, вычислительной технике и методике обучения математике и информатике; анализ научной литературы по философским, социальным, психолого-педагогическим проблемам, связанным с информатизацией общества, ее влиянием на личность и систему образования; анализ школьных и вузовских программ, учебников и учебных пособий; изучение и обобщение отечественного и зарубежного опыта информатизации сферы образования и, в частности, проблем подготовки учителя информатики в условиях информатизации; изучение и обобщение педагогического опыта; метод экспертных оценок и обработка результатов методом факторного анализа; констатирующие и формирующие эксперименты по проверке отдельных методических положений работы.
Содержание применяемых методов исследования, конкретные задачи, решаемые с помощью каждого из них, а также экспериментальные материалы описаны в соответствующих разделах диссертации.
Научная новизна исследования состоит в том, что обоснована возможность использования языка LOGO в качестве средства обучения функциональному программированию будущих учителей информатики на пропедевтическом уровне подготовки. Теоретическое значимость исследования состоит в том, что выделены основные содержательные линии в обучении функциональному программированию и обоснована возможность реализации этих линий средствами языка LOGO.
Практическая значимость полученных результатов заключается в том, что разработана система лабораторных работ по программированию на языке LOGO для педагогического вуза, которая отражает предложенную методику.
Структура построения диссертации и логика ее изложения отражает последовательность решения основных задач исследования.
Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, библиографии и приложения.
В первой главе
- выбрана модель методической системы обучения, рассмотрены этапы методического исследования;
- рассмотрена классификация языков функционального программирования и место языка LOGO среди других языков функционального программирования;
- обоснована возможность использования языка LOGO в качестве средства обучения функциональному программированию на пропедевтическом уровне подготовки будущих учителей информатики;
- выбраны и рассмотрено содержание основных линии в обучении функциональному программированию.
Вторая глава посвящена построению методической системы обучения, состоящему в разработке целей обучения, отборе содержания, методов, форм и средств обучения функциональному программированию будущих учителей информатики на базе языка LOGO.
В третьей главе описано использование математических моделей при проведении педагогического эксперимента.
Заключение содержит выводы по результатам диссертационного исследования. На зашиту выносятся:
1) методическая система обучения функциональному программированию будущих учителей информатики на базе языка LOGO, в основу построения которой положен фундаментальный подход к обучению;
2) содержание обучения функциональному программированию, в котором выделены основные содержательные линии.
Выражаем благодарность за предоставленные материалы преподавателю Муниципального комплекса системы непрерывного образования (МКСНО) Университет Наяновой (г.Самара) Л.Л.Пак.
Методология исследования
На начальном этапе педагогического исследования определяются обучаемые (косвенно этим определяются цели обучения), предмет обучения и идея, реализация которой в процессе обучения как представляется, позволит "что-то" улучшить.
Следующим этапом является построение методической теории, которая будет являться теоретической основой последующих практических реализаций. В качестве такой теории мы будем использовать определенную дидактическую систему, которую будем называть методической системой обучения. Методическая система обучения отражает целостную модель педагогической деятельности и играет роль методологии, позволяющей обосновать множество вариантов интерпретации предлагаемой теории.
Учитывая существующие варианты структур методической системой обучения, в данной работе мы будем использовать модель методической системы обучения, которая характеризуется пятью взаимосвязанными компонентами: целями обучения, содержанием обучения, методами, формами и средствами обучения [Пышкало,1975].
При построении методической системы обучения воспользуемся методологией, предложенной Т.А.Бороненко [1997]. Основным понятием этой методологии является понятие "методика обучения информатике", которое будем толковать [там же] как "раздел педагогической науки, объектом которой является процесс обучения информатике и его организация (учебный процесс), предметом - проектирование, конструирование, реализация (внедрение), анализ, развитие (оптимизация) и сравнение методических систем обучения информатике. Методология методики обучения информатике - это педагогическая деятельность, называемая методическим экспериментом над учебным предметом "Информатика".
Согласно Т.А.Бороненко [1997], методическое исследование имеет следующие этапы: 1. Проектированием методической системы обучения - деятельность, связанная с отбором содержания элементов предполагаемой модели методи ческой системы обучения: выделение целей обучения, определение ожидае мых результатов обучения, отбор методов обучения, отбор форм обучения и отбор средств обучения.
2. Реализация методической системы обучения, предполагающая вне дрение методической системы обучения в учебный процесс, то есть создание учебного предмета. 3. Педагогический эксперимент, цели которого состоят в модификации методической системы обучения и модификации учебного предмета.
Настоящая работа отражает проведение первого этапа методического исследования - проектирование методической системы обучения, и частично проведение третьего этапа методического исследования - модификация методической системы обучения с помощью методов математической статистики.
При проектировании методической системы обучения функциональному программированию для отбора содержания элементов предполагаемой методической системы обучения воспользуемся:
1) концепцией подготовки учителя информатики в многоуровневой структуре высшего педагогического образования [Швецкий,1994], состоящей в двухступенчатой (двухуровневой) подготовке специалистов по информатике для средней школы (уровни бакалавра и магистра). На уровне бакалавриата концентрируется внимание на фундаментальности образования, тогда как задачи следующего образовательного уровня (магистратура) связаны с формированием профессиональных качеств специалиста;
2) принципами профессионально-педагогической направленности обучения информатике (ППНО) [Мордкович,1986] (принципы фундаментальности, бинарности, ведущей идеи, непрерывности);
3) технологией отбора содержания методической системы обучения [Бороненко,1998];
4) классификацией парадигм программирования, понятием "функциональная парадигма программирования";
5) методом учебных информационных моделей [Лаптев, Швецкий, 1994];
6) концепцией выделения основных взаимосвязанных содержательных линий в обучении.
Цели обучения функциональному программированию
Цели обучения выполняют системообразующую функцию в педагогической деятельности. Именно от выбора целей в наибольшей степени зависит выбор содержания, методов, форм и средств обучения. Формирование педагогических целей отвечает на вопрос чему учить, какие задачи (профессиональные, жизненные, предметные и др.) должен уметь решать студент с помощью полученных знаний, умений и навыков и т.д.
Этот подход состоит в преемственности целей разных уровней, обеспечивающий их синтез в целостную систему, и изначальную прямую связь целей с содержанием обучения. Это достигается за счет синтетического описания целей и содержания обучения на языке задач, которые должен уметь решать студент, прошедший курс обучения.
Отправной точкой для построения системы педагогических целей применительно к высшему образованию служит модель (профиль) специалиста. В основе ее лежит, как правило, квалификационная характеристика, в которой фиксируется система требований к работнику, занимающему данный рабочий пост в системе общественного производства.
Приведем фрагмент квалификационной характеристики учителя информатики, разработанной Э.И.Кузнецовым [1990], выделяя те знания и умения, которые затрагивают программирование. Для выполнения функций учителя по предмету школьной информатики специалист должен иметь следующие профессиональные знания и умения по информатике и вычислительной технике и методике преподавания информатики в среднем учебном заведении:
- знание фундаментальных понятий информатики: информация, алгоритм, информационная модель, программа, вычислительная система, ЭВМ, язык программирования;
- знание основных принципов алгоритмизации и программирования и практические умения программировать в применение к задачам среднего уровня сложности (по Б.Шнейдерману [1984]). Умение за приемлемое время составлять программы, правильно работающие и хорошо документированные. Умение определить, написана ли программа эффективно и хорошо ли организована. Умение не только грамотно использовать инструментальные педагогические программные средства, но и адаптировать их к возможным изменениям операционной среды. В ряде случаев умение программировать поможет учителю информатики и в создании макетов собственных педагогических программных средств;
- знание содержательных и методических аспектов преподавания школьной информатики на разных уровнях: базовый курс, младшие классы, углубленное изучение, факультативы, внеклассная работа;
- знание содержания и методики использования основного программно-методического комплекса школьной информатики. Умение использовать программные средства, учебное и методическое обеспечение в процессе обучения информатике в компьютерном классе. Умение оценивать последствия работы, выполняемой как индивидуально, так и в группе;
- знание педагогических программных средств по информатике и вычислительной технике, умение эффективно применять эти программные средства в обучении и адаптировать их к собственной методической концепции.
Организация педагогического эксперимента
Известно, что в методике можно выделить три типа исследований [Теория, 1979,с.З]: общетеоретические (ретроспективные, констатирующие, прогностические), экспериментальные (констатирующие, преобразующие, поисковые) и прикладные. Построение теоретической модели системы методической подготовки учителя информатики, проведенное в главе I, носит общетеоретический и прогностический характер. В связи с этим возникает проблема экспериментальной проверки полученного результата (теоретической модели методики обучения).
Известно, что педагогический эксперимент содержит ряд этапов [Панина, 1986; Лаптев, 1989]: поисковый и констатирующий этапы, основной задачей которых является сбор и анализ необходимой эмпирической информации для уточнения гипотезы исследования, а также формирующий (созидательный) этап, на котором строится теоретическая модель и осуществляется ее эмпирическая проверка. Представим сказанное в виде таблицы 2.
Наличие способов проверки эффективности использованных методов облегчает вывод о достоверности полученных в исследовании результатов, а также моделей используемых в педагогическом эксперименте.
Модели, используемые в педагогическом эксперименте, перечислены в таблице 3.
В педагогическом эксперименте мы отказались от принципиально ограниченного подхода, когда приоритет отдается какому-то одному методу исследования, и попытались применить серию методов (экспертная оценка учителями информатики и преподавателями педагогических вузов, наблюдение за деятельностью преподавателей, методы теории графов, методы математической статистики).
Формирование гипотез о составе и структуре теоретической модели обучения функциональному программированию на поисковом и констатирующем этапах базировалось на анализе опыта экспериментальной работы, которая проводилась на базе Российского государственного педагогического университета (РГПУ) им.А.И.Герцена и Одесского государственного педагогического института (ОГНИ) в 1991-1997 гг., в рамках лабораторно-практи-ческих занятий по методике обучения информатике у студентов V курса математического факультета РГПУ им.А.И.Герцена (1998 г., преподаватель Т.А.Бороненко), в рамках лабораторно-практических занятий по программированию на языке LISP у студентов тьюторской группы (преподаватель М.В.Швецкий) 5 курса математического факультета РГПУ им.А.И.Герцена.
Объектом эмпирических исследований выступает отбор содержания обучения функциональному программированию будущих учителей информатики.
Отбор содержания на основе целей не требует лабораторного эксперимента, а лишь системы критериев, которые определяются математическими методами [Теория, 1979,с.62]. В данном параграфе с помощью статистических методов (факторного анализа и метода главных компонент) мы сформулируем гипотезу об основных факторах, влияющих на формирование содержания обучения функциональному программированию будущих учителей информатики на базе языка LOGO.
Выбор методов обусловлен многофакторностью процесса отбора содержания любой учебной дисциплины и положительными результатами их использования в педагогических исследованиях [Кыверялг,1980;Рещш, Ше-ин,1990]. Факторный анализ отличается от других распространенных статистических методов тем, что он делает возможным формирование гипотез на основе данных, полученных методом экспертных оценок. Целью факторного анализа является выделение из большого количества наблюдаемых переменных наиболее простых показателей (факторов), которые как можно точнее описывали бы объект изучения и в определенном смысле "объясняли" внутренние объективно существующие закономерности.
Алгоритм метода главных компонент (компонентного анализа) применительно к выбору основных факторов, влияющих на отбор содержания обучения, изложен в [Швецкий,1994]. Поэтому перейдем к содержательной интерпретации выявленных факторов на основе знаний о самих переменных. Эта интерпретация представляет собой гипотезу о сущности изучаемого явления. Задача содержательной интерпретации выделяемых факторных структур является самой важной частью факторного исследования. Хотя сама по себе интерпретация не входит в формальную процедуру метода главных компонент, она является хорошей проверкой того, насколько полученное решение адекватно описывает исходные данные и насколько оно удовлетворяет целям исследования.
Похожие диссертации на Методика обучения функциональному программированию будущих учителей информатики (На базе языка LOGO)
