Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ теоретических методических и практических основ построения курсов информатики в современной структуре
1 Основные объекты педагогического исследования 13
2 Структура современного курса информатики в общеобразовательной школе и тенденции его развития 31
Глава 2. Методическое обеспечение занятий по теме «Элементы теории управления» в базовом и профильном курсах информатики средней общеобразовательной школы 52
1 Методика преподавания темы «Элементы теории управления» в базовом курсе информатики
2 Методика преподавания темы «Элементы теории управления» в профильном курсе информатики 66
Глава 3. Содержание, методика проведения и результаты педагогического эксперимента 101
1 Организация экспериментальной работы 101
2 Оценка эффективности методики, предложенной для базового курса 102
3 Оценка эффективности методики, предложенной для профильного курса 116
4 Методические замечания и рекомендации 121
Основные выводы 129
- Основные объекты педагогического исследования
- Методика преподавания темы «Элементы теории управления» в базовом курсе информатики
- Организация экспериментальной работы
Введение к работе
Среди факторов, оказывающих значительное влияние на ход развития общества, можно выделить его стратегические ресурсы. Два из них — сырье и энергия— имели до недавнего времени решающее значение и именно они определяли уровень развития индустриального общества.
Сегодня картина несколько изменилась: доминирующее значение приобрел другой ресурс общества — информация. Конечно, наличие или отсутствие различного рода информации (знаний о чем-либо) всегда оказывало определенное влияние на процессы развития любого общества. Однако только сейчас, когда с помощью электронно-вычислительных машин эту информацию можно оперативно собрать, обработать, преобразовать и передать, информационный ресурс переходит в категорию стратегических общественных ресурсов и занимает там ведущее место.
Внедрение ЭВМ практически во все сферы человеческой деятельности, переход общества от индустриального к информационному этапу развития, требует наличия и подготовки профессиональных кадров, способных использовать возможности вычислительной техники и технологий обработки информационных потоков.
Существованием такого запроса общества было обусловлено введение в учебный процесс школ, техникумов и вузов курса основ информатики и вычислительной техники (ОИВТ).
Большой вклад в создание первых концепций информатизации образования, разработку структуры, содержания и внедрение в учебный процесс средней школы курса ОИВТ внес академик А. П. Ершов.
Сегодня вопросы информатизации образования находят отражение в трудах И. Н. Антипова, Ю. С. Брановского, Я. А. Ваграменко, А. Г. Гейна, А. А. Кузнецова, Э. И. Кузнецова, В. А. Каймина, A. Г. Кушниренко, А. С. Лесневского, М. П. Лапчика, Ю. А. Первина, B. Ф. Шолоховича и других исследователей.
В настоящее время разрабатьшаются и внедряются Федеральный компонент государственного стандарта начального общего, основного общего и среднего (полного) образования и базирующиеся на нем региональные стандарты. Эти стандарты являются нормативными документами, основой, на которой должен строиться школьный курс информатики.
Сегодня все более широкие масштабы приобретает развитие автоматизации практически всех сфер человеческой деятельности. Автоматизация непосредственно связана с вопросами управления различными объектами и процессами, причем эффективное осуществление этого управления становится немыслимым без применения как простейших электронных устройств, так и ЭВМ с соответствующим цифро-аналоговым и аналого-цифровым интерфейсом.
Все это требует подготовки профессионалов, которые могли бы грамотно использовать современные достижения в области систем управления машинами, станками, агрегатами, производственным процессом в целом.
В свою очередь, процессы подготовки таких профессионалов непосредственно связаны с общеобразовательной школой, которая должна ориентировать учащихся на выбор самого широкого спектра профессий, среди которых есть профессии, связанные с вопросами применения средств новых информационных технологий (СНИТ) для организации управления различными объектами.
Поэтому было бы интересно проанализировать степень представленности указанной тенденции автоматизации и связанных с ней элементов теории управления в школьном курсе информатики.
Такой анализ общеобразовательных стандартов и существующих методик преподавания информатики (см. главу 1) позволил выявить ряд несоответствий между: имеющейся тенденцией автоматизации трудовой деятельности человека и степенью разработанности в курсе информатики подходов к формированию начальных знаний и умений в организации и осуществлении процессов управления с привлечением ЭВМ, а также практическим отсутствием в массовом педагогическом опыте применения существующих разработок; наличием потребности допрофессиональной подготовки специалистов в области автоматизации с использованием ЭВМ и степенью разработанности в школьном курсе информатики научно-методологических подходов к изучению этих вопросов; содержанием и требованиями обязательного минимума содержания образования, проекта Федерального компонента государственного стандарта начального общего, основного общего и среднего (полного) образования и рядом сложившихся методик преподавания информатики.
Выявленные несоответствия указывают на актуальность исследований методики и практики формирования у школьников начальных знаний и умений в применении ЭВМ для организации управления объектами и процессами, а также знаний и умений, являющихся основой их допрофессиональной подготовки в указанной области.
Одной из тенденций развития современной структуры преподавания информатики в школе является переход к непрерывному, многоэтапному изучению этой дисциплины. Большинство исследователей выделяет три этапа обучения: пропедевтический курс, обеспечивающий первоначальное знакомство школьников с компьютером, формирующий первые элементы информационной культуры; базовый курс, обеспечивающий обязательный общеобразовательный минимум подготовки школьников по информатике; профильный курс, дифференцированный по объему и содержанию в зависимости от интересов и направленности допрофессиональной подготовки школьников.
Из этих трех этапов обучения в диссертационном исследовании рассматриваются два последних. Это обусловлено тем, что на этапе изучения пропедевтического курса учащиеся еще не владеют необходимой для изучения рассматриваемой темы системой понятий дисциплин «физика» и «технология», умением использования измерительных приборов, умением сборки электрических цепей и т. п. Кроме этого, анализ исследований в области дифференцированного многоуровнего обучения информатике показал (см. главу 1), что к настоящему времени еще не достаточно полно разработана методика профильного обучения информатике, в частности, не разработаны профильные курсы прикладной направленности, рассматривающие вопросы управления и использования ЭВМ в управляющих системах.
Исходя из этого была сформулирована проблема исследования — какими должны быть занятия по указанной теме в базовом курсе информатики и профильный курс информатики для технического профиля обучения, чтобы обеспечить эффективность обучения информатике и быть адекватными современным тенденциям использования ЭВМ в управляющих системах.
Существование указанной проблемы позволяет нам сформулировать цель исследования, выбрать объект и предмет исследования.
Цель исследования — разработка содержания, методики преподавания и оснащения занятий, связанных с вопросами применения ЭВМ как средства управления в различных управляющих системах в рамках базового и профильного курсов информатики общеобразовательных школ и экспериментальная проверка эффективности разработанных методик.
Объект исследования— процесс преподавания базового курса информатики и дифференцированное обучение информатике в старших классах общеобразовательных школ.
Предмет исследования— цели, задачи, содержание, методы и формы, обучения информатике на примере занятий, связанных с применением ЭВМ для управления объектами.
Выбор цели, объекта и предмета исследования мотивируют выдвижение гипотезы исследования — использование технических приложений информатики, ориентированных на применение ЭВМ как средства управления объектами, с одной стороны, будет способствовать повышению мотивации учащихся к изучению информатики, активизации усвоения учебного материала, усилению творческого начала школьников, а с другой, —позволит развить межпредметные связи с дисциплинами «физика» и «технология», что будет положительно сказываться на изучении этих дисциплин. При этом, значительное усиление образовательного эффекта занятий будет наблюдаться при наличии у детей склонности к конструкторской, технической деятельности, что позволит организовать обучение таких учащихся в рамках курса, ориентированного на их допрофессиональную подготовку в указанной области.
В соответствии с целью, проблемой и выдвинутой гипотезой для проведения исследования потребовалось решить следующие задачи исследования: выявить значимость изучения рассматриваемой темы; осуществить и обосновать отбор содержания для научного исследо вания; разработать методику занятий для изучения рассматриваемой темы в базовом курсе информатики общеобразовательной школы; разработать методику профильного курса информатики, ориентированного на допрофессиональную подготовку школьников в указанной области; разработать набор периферийных устройств для изучения вопросов управления с использованием ЭВМ; выбрать содержание, способы и методы для педагогического воздействия; выбрать параметры, по которым будут оцениваться знания учащихся; выбрать методики педагогического эксперимента и способы обработки экспериментальных данных; составить задания для контроля знаний учащихся; организовать проведение педагогического эксперимента; обработать полученные экспериментальные данные в рамках выбранной статистической модели и оценить эффективность предложенных методик.
В процессе работы для решения поставленных задач использовались различные методы исследования: изучение и анализ философской, психолого-педагогической, научной, технической, специальной, методической, учебной литературы по проблеме исследования; сравнительный анализ учебных и методических пособий по информатике для общеобразовательных школ, средних специальных и высших учебных заведений; анализ учебных и методических пособий по физике и технологии для общеобразовательной школы; изучение и анализ передового и массового педагогического опыта; методы экспериментальной работы: наблюдение, выборочные обследования, педагогический эксперимент.
Научная новизна исследования состоит в: уточнении и дополнении научно-методологических основ курса информатики, ориентированного на технические приложения, для повышения эффективности базового и дифференцированного профильного обучения; разработке средств формирования знаний и умений, а также начальных профессиональных навыков в области использования ЭВМ для управления объектами и процессами в курсе информатики средней общеобразовательной школы.
Теоретическая значимость исследования состоит в обосновании целесообразности использования технических приложений информатики для подготовки учащихся к последующей профессиональной деятельности, связанной с использованием средств ВТ в различных управляющих системах на производстве, в научно-экспериментальной деятельности, в быту.
Практическая значимость исследования заключается в обосновании состава и технических характеристик набора устройств, предназначенного для формирования у учащихся знаний, умений и предпрофессиональ-ных навыков использования управляющих ЭВМ и разработке методики его применения на уроках базового и профильного курсов информатики в средней общеобразовательной школе.
На защиту выносятся: требования к результатам обучения, методические принципы и организационные формы, используемые при проведении занятий в базовом и профильном курсах информатики, ориентированных на технические приложения;
Апробация и внедрение результатов исследования заключается в том, что материалы диссертационного исследования докладывались и обсуждались на заседаниях кафедры информатики КГПУ, на Всероссийской научно-практической конференции «Информатизация образования — 98» (г. Курск, 6-8 октября 1998 г.)
Разработанная программа прикладного профильного курса информатики, ориентированного на технические приложения, предложенная методика формирования допрофессиональных знаний и умений, методическое, техническое и программное обеспечение курса применялись при обучении учащихся средней школы № 32 г. Курска.
Разработанные занятия и методика формирования знаний и практических умений базового уровня применялась при преподавании базового курса информатики в школе № 50 г. Курска, Дьяконовской средней школе Октябрьского района и Ивановской средней школе Рыльского района Курской области. Проведение занятий в нескольких школах позволило использовать разные варианты построения курсов и увеличить совокупность данных для обработки.
Основные объекты педагогического исследования
Под основными объектами педагогического исследования мы будем понимать содержание и методики проведения занятий по интересующей нас теме в школьном курсе информатики. Отбор содержания для педагогического исследования подразумевает под собой выделение определенного набора понятий, которые в последующем предполагается формировать у школьников в процессе изучения учебного материала. Построение методик преподавания является результатом объединения, с одной стороны, общих методологических подходов к ведению предмета и, с другой стороны, выбранного содержания, которое реализуется набором конкретных целей, задач, средств, форм и т. д. (этот этап описывается во второй главе данной работы).
Для осуществления отбора содержания для педагогического исследования было необходимо решить ряд задач: во-первых, проанализировать содержание специальной литературы по теме, на основе чего выделить основной набор понятий (базовый минимум содержания темы «Элементы теории управления»); во-вторых, рассмотреть содержание проектов общеобразовательных стандартов и существующих методик с целью выявления степени представленности в них этого основного набора; в-третьих, на основе этого анализа выяснить, будет ли целесообразной разработка курса по исследуемой теме или рассматриваемый материал уже полностью представлен в методиках преподавания информатики, и нет необходимости вести работы в указанном направлении. Ниже будет показано как решались эти задачи и какие выводы были сделаны по результатам проведенного анализа.
Для выбора основного, базового набора понятий был проведен анализ требований паспортов специальностей, связанных с применением ЭВМ в системах управления, а также содержания специальной, справочной и учебной литературы для соответствующих средних специальных учебных заведений и вузов. Кроме этого рассматривались пособия для физико-математических факультетов педагогических вузов и учителей информатики, которые были выбраны с целью прогнозирования степени подготовленности учителя информатики к проведению занятий по интересующей нас теме. Например, это пособия [32], [70], [83], [105], [231] и [232]. Вначале рассмотрим интересующие нас положения в государственных стандартах высшего профессионального образования. В частности, выясним требования к обязательному минимуму содержания и уровню подготовки инженера по специальности 210200— «Автоматизация технологических процессов и производств». В стандарте говорится, что инженер по указанной специальности должен:
«иметь представление: об основных тенденциях развития систем управления и их элементной
базы; о принципах математического и имитационного моделирования автоматических систем управления;... об истории становления основных идей в области создания и использования технологий, технологических систем, их автоматизации и управления; об основных проблемах научно-технического развития промышленности... знать и уметь использовать: принципы организации программных средств систем управления; классификацию систем управления, их модели и основные характеристики; методы анализа и синтеза систем автоматического управления;
основной элементный базис аналоговых и цифровых интегральных микросхем; системные ресурсы ПЭВМ;
методы проектирования и эксплуатации систем управления процессами и оборудованием; методы современной организации производства и управления...» [www.informika.ru/text/database/stand/spec/210200.txt]. Здесь же приводится перечень изучаемых дисциплин и их содержание, выделенное в качестве обязательного минимума. Рассмотрим интересующий нас материал. Например, в процессе изучения дисциплины «Теория управления» предполагается формирование следующих понятий: «содержание задач управления: классификация систем управления; модели и характеристики систем автоматического управления; анализ систем автоматического управления: устойчивость, управляемость, наблюдаемость...» [там же]. Содержание дисциплины «Проектирование систем управления» составляют: «понятие о процедуре систем управления; концепция управления в реальном времени; программное управление объектами; понятие объекта; методы описания объекта управления; метод сетей Петри как формальная модель процесса управления в реальном времени; реализация интерфейсов пользователя в современных задачах управления...» [там же]
Наряду со специальностью «Автоматизация технологических процессов и производств», для нашего анализа представляет интерес специальность 210300 — «Роботы и робототехнические системы».
class2 Методика преподавания темы «Элементы теории управления» в базовом курсе информатики link2
Описывая предлагаемую методику, нам необходимо рассмотреть содержание занятий, их структуру, оснащение, способы их организации, методы обучения и контроля знаний учащихся, оснащение практических работ. Затем, обобщая этот материал, мы получим обязательный минимум содержания учебного материала и сформулируем требования к знаниям и умениям учащихся.
Содержание и структура занятий
Отбор материала для изучения в базовом курсе информатики и его систематизация определяются прежде всего задачами обучения. На данном этапе мы выделяем следующие, наш взгляд важнейшие, задачи:
сообщение учащимся первоначальных знаний теории управления (о способах и системах управления, информационных процессах, протекающих в этих системах, их структурных компонентах, использовании в них компьютера и его роли);
формирование у школьников умения применять полученные знания для выделения структуры простейших реальных управляющих систем разных типов;
развитие мышления школьников;
формирование начальных практических умений использования ЭВМ как средства управления. Кроме выбранных задач, при разработке содержания учебного материала учитываются возрастные особенности учащихся, их общеобразовательная подготовка.
Ранее (см. таблицу 1.2 на стр. 20) мы выделили набор основных, базовых понятий темы «Элементы теории управления». Эти понятия мы будем считать инвариантом для любого варианта построения занятий (мы можем рассматривать, например, двухуровневое обучение: ограничиться лишь уровнем воспроизведения учащимися предложенного им материала, или добиться обучения на уровне притязания, когда школьники учатся применять полученные знания для приобретения новых знаний). Отметим, что при изложении базового материала не ставится цель детального изучения систем управления и участия в них ЭВМ, тем не менее, следует учесть необходимость раскрытия для учащихся сущности информационных процессов, протекающих в этих системах (что требуется общеобразовательным стандартом по информатике) и сформировать начальные умения использования в этих системах в качестве управляющего органа ЭВМ. В этом случае нам необходимо формировать у школьников знания о формах представления информации (аналоговая и цифровая), процессах преобразования сигналов, несущих эту информацию, об устройствах, осуществляющих это преобразование (аналого-цифровые (АЦП) и цифро-аналоговые (ЦАП) преобразователи). Поэтому содержание занятий составит базовый набор понятий, расширенный понятиями, указанными выше. В итоге мы получим таблицу, включающую в себя понятия темы, которые предполагается предложить учащимся для изучения в базовом курсе информатики.
Таблица 2.1. Содержание занятий по теме «Элементы теории управления» в базовом курсе информатики
Понятия
Управление
Автоматическое управление
Замкнутая система управления
Обратная связь
Разомкнутая система управления
Измерительный преобразователь (датчик)
Объект управления
Управляющее устройство
Исполнительный элемент
Управляющее воздействие
Возмущающее воздействие
Аналоговый сигнал
Цифровой сигнал
Преобразование сигнала
АЦП
ЦАП
Таким образом, изучение с учащимися темы на базовом уровне в первую очередь означает необходимость добиться у них знания этих понятий. Для того, чтобы сформировать эти знания, предлагается провести с учащимися следующие занятия: Формы представления информации и их преобразование.
Сущность процессов управления и роль информации в теории управления.
Системы управления. Обратная связь. Общность информационных принципов строения и функционирования управляющих систем различной природы.
Эти занятия хорошо согласуются с уроками по темам «Информация и информационные процессы», «Единицы измерения информации» и могут проводится в одном блоке с ними.
Организация экспериментальной работы
Для апробирования и выявления эффективности описанных во второй главе данной работы методик преподавания темы «Элементы теории управления» было необходимо организовать и провести соответствующее педагогическое исследование (эксперимент). Эта экспериментальная работа проводилась в 1998/99 учебном году в нескольких школах г. Курска и Курской области.
Целью проводимого эксперимента являлось изучение влияния фактора (методика преподавания) на объект исследования (учащихся). В качестве выходной переменной (отклика на воздействующий фактор) использовались результаты выполнения описанных выше тестовых заданий. Эти отклики измерялись по порядковой шкале, что, как будет подробно рассмотрено далее, позволило выбрать определенные способы обработки результатов эксперимента.
Так как были предложены различные методики преподавания — для базового и профильного курсов, то эксперимент состоял из двух частей: проведение работы с учащимися, изучающими базовый курс, и организация занятий профильного курса. Здесь необходимо заметить, что фактически разработанный профильный курс проводился в рамках факультативного курса.
Далее рассмотрим, как была организована каждая часть эксперимента, какими методами обрабатывались экспериментальные данные и какие выводы были получены в результате применения этих методов.
. Оценка эффективности методики предложенной для базового курса
Цель эксперимента: проверить эффективность предлагаемой методики изучения темы «Элементы теории управления» в базовом курсе информатики.
Место проведения эксперимента
Эксперимент проводился в старших классах школы № 50 г. Курска, Дьяконовской средней школы Октябрьского района и Ивановской средней школы Рыльского района Курской области. В первой из них применялся полный вариант методики, включающий в себя организацию и теоретических, и практических занятий, а в двух оставшихся — вариант, предполагающий рассмотрение с детьми только теоретической части занятий (такой подход был выбран для последующей оценки эффективности применения предлагаемых практических занятий по теме).
Для контроля результатов использовались описанные выше варианты тестовых заданий, разработанные для базового уровня изучения темы (см. Приложение III на стр. 166-173).
Эксперимент проводился по следующей схеме: первичное тестирование — методики — вторичное тестирование.
Совокупности учащихся школы № 50 был назначена обработка по первому варианту методики, а совокупности учащихся Дьяконовской и Ивановской школ — по второму варианту.
После проведения эксперимента из этих совокупностей были составлены две случайные выборки. Здесь необходимо отметить, что в нашем случае экспериментальные единицы (учащиеся) неоднородны по своим свойствам (например, успеваемости по информатике), поэтому простой случайный отбор, не обеспечил бы в таких совокупностях представительность выборок. С учетом этого была применена следующая схема отбора: сначала экспериментальные единицы разбивались на страты (призиак — успеваемость по информатике), а затем, уже в этих стратах, проводился случайный отбор [134]. Таким образом, полученные выборки действительно представляют рассмотренные совокупности и являются случайными.
