Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Становление курса информатики в школе и педагогическом вузе 11
1. Тенденции развития курса информатики в школе и педагогическом вузе 11
2. Понятие модели и классификация моделей 20
3, О различных подходах к обучению моделированию в школе и педагогическом вузе 29
Глава 2. Психолого-педагогическне и методологические основы обучения компьютерному моделированию 36
1. Психолого-педагогические основы обучения моделированию в школе и педагогическом вузе 36
2. Методологические основы обучения моделированию 50
Глава 3 Разработка методики обучения основам компьютерного моделирования 64
1 . Учебные среды компьютерные моделирования 64
2. От Лого к Паскалю и Бейсику 75
3. Моделирование в среде Лого 79
4. Моделирование в средах Паскаля, Бейсика и визуальных языков 88
5. Моделирование в среде Excel 102
6. Методические замечания по работе над мини-проектами. 109
7. Методические рекомендации 115
8. Описание педагогического эксперимента 121
Заключение 127
Публикации автора по теме диссертации 131
Библиографический список 133
- Тенденции развития курса информатики в школе и педагогическом вузе
- Психолого-педагогические основы обучения моделированию в школе и педагогическом вузе
- Учебные среды компьютерные моделирования
Введение к работе
Приближающееся новое тысячелетие отмечено кардинальными изменениями во многих областях, располагающими к попыткам осмысления пройденного пути и поиску адекватных решений. Система образования не является в этом смысле исключением и находится в состоянии перманентного реформирования-Педагогические вузы должны ориентироваться на такой ход событий- При этом важно, чтобы учитель не приходил в школу с уже «устаревшими» знаниями, а мог бы «подстраиваться» под изменения в учебной программе,
Прошло 15 лет с тех пор, как информатика была включена в курс общеобразовательной школы. За это время преподавание информатики претерпело множество изменений, как в отношении содержания курса, так и в отношении преподавательского состава. Если раньше уроки по информатике проводили, в основном, бывшие программисты или математики, получившие навыки работы с компьютером и изучившие программирование, то в настоящее время в школах все больше учителей, имеющих педагогическое образование по специальности «информатика».
Большой вклад в развитие содержания и методики преподавания информатики внесли С- Пейперт, А-П. Ершов, С-Л. Бешенков, И.М. Бобко, А.Г. Гейн, Г,А. Звенигородский, В А. Каймин, А.А. Кузнецов, А.Г. Кушниренко, М.П. Лапчик, B.C. Леднев, НЛЗ. Макарова, В.М. Монахов, Ю,А. Первин, AJL Семенов, ЕХ Хеннер и ряд других исследователей.
К настоящему времени написано много учебников информатики, сильно различающихся по содержанию и методическим подходам. К тому же большинство из них не
учитывает возраст, с которого учащиеся начинают изучение информатики. Но, если школьный курс как-то методически обеспечен (кроме того, что написано несколько общероссийских учебников, существуют региональные программы информатизации), то с пособиями для педагогических вузов ситуация проблематичнее. Хотя от того, как будет поставлен курс информатики в педагогическом вузе, зависит будущее этого предмета в школе. Ведь, в основном, будущим учителям придется решать проблемы обучения школьников информатике и решать вопросы, связанные с применением новых информационных технологий в образовании, В то же время, учебников по информатике для педвузов очень мало. Очевидно также, что многие существующие учебные пособия быстро устаревают в связи с тем, что меняется техника, уточняются концепции преподавания информатики.
Ведущими разделами курса информатики, как в школе, так и в педагогическом вузе, несмотря на все изменения, остаются моделирование и алгоритмизация.
Н. Винер, характеризуя возможности компьютеров, сказал, что любая машина полезна настолько, насколько глубокие и продуманные задачи мы перед ней ставим. Человек должен иметь идеи, и тогда машина ускорит их проверку и воплощение, т.е. основой всего является хорошая модель исследуемого явления,
В статье «О предмете информатики» АЛ. Ершов пишет: «Как самостоятельная наука информатика вступает в права тогда, когда в рамках соответствующей частной науки строится информационная модель того или иного фрагмента действительности — в информатике рассматриваются методологические принципы построения таких моделей и манипулирования ими».
Математическое, а в последнее время и компьютерное моделирование широко используются во многих областях знаний и в народном хозяйстве, что позволяет значительно экономить ресурсы.
На необходимость и важность применения моделирования в процессе обучения математике указывают В .И. Арнольд, Н.Н. Красовский, В,В, Давыдов, В.А. Далингер, А.Ж. Жафяров, В.М Монахов, А.Г. Мордкович, Л,М. Фридман, А.Я. Цукарь и др. Вопросы методики обучения моделированию и алгоритмизации к школьном курсе математики рассматривались в ряде диссертационных работ, в том числе М.В. Крутихиной, А.А. Михно, А.А. Шрайнера и др. Более широкое внедрение такого подхода в курс математики средней школы способствовало бы лучшему пониманию и усвоению его и на уроках информатики.
Вопросам методики преподавания алгоритмизации и моделирования в курсе информатики большое внимание уделяется в работах А.И. Бочкина, АХ, Гейна, Н.Н. Красовского, AT, Кушниренко, МЛ. Лапчнка, Н,В. Макаровой, Е,М Островской, КИ. Пака, В Л. Селиванова, Е.К. Хеннера и др.
Анализ программы школьного курса информатики показывает, что на моделирование и алгоритмизацию отведено малое число учебных часов (в том случае, когда изучение информатики начинается с 10 класса, на моделирование отведено 8 или 12 часов при общем числе часов на весь курс соответственно 68 и 136, на алгоритмизацию — 16 и 26). Кроме того, психолого-педагогический аспект этого курса, на наш взгляд, мало разработан. В большинстве учебников используются подходы, слабо стимулирующие творчество учащихся.
В настоящее время ощущается недостаток квалифицированных учителей, которые могли бы проводить занятия по моделированию
на должном уровне- Таким образом, получили противоречие: с одной стороны, компьютерное моделирование является одним из важнейших разделов как школьного, так и вузовского курсов информатики, а, с другой стороны, его методическая и психолого-педагогическая проработанность недостаточна, ощущается недостаток учебных пособий. Этим определяется актуальность проблемы нашего исследования, состоящей в устранении указанного противоречия.
Целью настоящей работы является повышение уровня подготовки студентов педагогических вузов и школьников в области компьютерного моделирования.
Объектом исследования является процесс обучения информатике студентов педагогических вузов и школьников.
Предметом исследования является методика обучения компьютерному моделированию в курсе информатики педагогического вуза и школы.
Гипотеза исследования состоит в том, что обучение студентов и школьников основам компьютерного моделирования по предлагаемой методике, основанной на интегрирующей роли моделирования, методе проектов и активном использовании компьютерной графики, будет способствовать повышению качества знаний по таким разделам информатики, как моделирование, алгоритмизация» языки программирования.
Для достижения поставленной цели и проверки гипотезы необходимо было решить следующие задачи:
изучить современное состояние методики преподавания компьютерного моделирования в педагогическом вузе и школе;
провести психолого-педагогический и методологический анализ научной разработанности данной тематики для выявления
недостатков и слабых мест в существующих подходах к преподаванию компьютерного моделирования;
разработать содержание курса компьютерного моделирования и методику его преподавания с учетом различного уровня математической подготовки студентов и школьников и количества времени> выделяемого на данный раздел информатики;
сформулировать методические рекомендации по выбору программной среды моделирования;
разработать модули и библиотеки программ, упрощающие реализацию рассматриваемых компьютерных моделей;
разработать учебные мини-проекты по компьютерному моделированию;
составить типовые блоки и фрагменты программ;
провести анализ педагогического эксперимента.
При работе над диссертацией применялись следующие методы:
анализ философской, психолого-педагогической и
методической литературы, публикаций научного характера в периодической печати;
анализ учебных пособий по информатике для педагогических вузов и общеобразовательной школы;
наблюдение, анкетирование, тестирование, беседы с педагогами, студентами и школьниками;
анализ личного опыта автора, а также опыта работы преподавателей вузов и школьных учителей.
Теоретическую и методологическую основу исследования составили основные положения работ, связанных с математическим и компьютерным моделированием (Х.-О. Пайтгена и П.Х. Рихтера, У. Бекка, В. Вольтерра, П. Прусинкевича и А. Линденмайера, В.М. Монахова и др.), с педагогикой, психологией и физиологией (С.
Пейперта, Ю.К. Бабанского, П.И, Пидкасистого, Е. Я. Голанта, М.Н. Скаткина, И.Я. Лернера, Е.С. Полат, Ж. Пиаже, B.C. Ротенберга, Л.Я. Балонова и В,Л« Деглина, В Л, Деглина, A.M. Иваницкого, В.Б. Стрельца и др.), с информатикой и методикой ее преподавания (АЛ. Ершова, А.И. Бочкина, А.Г. Гейна, Н.В. Макаровой, Е.К. Хеннера, В.Л. Селиванова, Л.Г. Алсынбаевой и др.).
Научная новизна исследования заключается в следующем:
сформулированы условия применения мини-проектов по компьютерному моделированию в курсе информатики педагогического вуза и школы;
разработана авторская методика обучения основам компьютерного моделирования в педагогическом вузе и школе.
Теоретическая значимость исследования состоит в следующем:
сформулированы методические рекомендации по выбору программной среды компьютерного моделирования;
сформулированы различные варианты построения курса компьютерного моделирования в зависимости от учебной программы.
Практическая значимость работы состоит в том, что:
произведен отбор моделей для изучения в курсе информатики педагогического вуза и школы;
разработаны сценарии мини-проектов по моделированию для педагогических вузов и школы;
разработаны модули и библиотеки программ, упрощающие реализацию важного класса рассматриваемых компьютерных моделей.
На защиту выносятся:
разработанный автором дидактический и программный материал для проведения занятий по компьютерному моделированию;
методика проведения занятий по компьютерному моделированию в педагогическом вузе и школе.
Достоверность и обоснованность проведенного исследования обеспечиваются опорой на теоретические разработки в областях психологии, физиологии, педагогики, теории и методики обучения информатике; использованием методов, адекватных поставленным задачам, а также результатами педагогического эксперимента.
Апробация и внедрение результатов исследования.
Основные теоретические и практические положения исследования докладывались на следующих конференциях:
Международной научно-методической конференции "Новые информационные технологии в университетском образовании" (Новосибирск, І996; Новосибирск, 1998; Томск, 2000), II Международной конференции "Развитие личности в системе непрерывного образования" (Новосибирск, 1997), региональной конференции ЮНЕСКО "Экология человека: взаимодействие культуры и образования в современных условиях" (Новосибирск, 1998), Международного конгресса ИНПРИМ (Новосибирск, 1998), конференции «Проблемы развития образования в Новосибирске и области» (Новосибирск, 1998), на научных семинарах кафедры информатики и дискретной математики НГПУ.
Апробация результатов и внедрение их в практику осуществлялось в учебном процессе школы № 98 г. Новосибирска и математического факультета Новосибирского государственного педагогического университета. Элементы данной методики
использовались дипломниками автора в некоторых школах Новосибирской области и г. Братска,
Исследование проводилось с 1995 по 2000 год как часть комплексной научной темы «Информатизация образования в педагогическом вузе и школе», разрабатываемой в НГПУ под руководством доктора физико-математических наук, профессора В.Л, Селиванова.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы.
Тенденции развития курса информатики в школе и педагогическом вузе
В настоящее время компьютерное моделирования является неотъемлемой составной частью информатики. Развитие этого раздела информатики и проблемы, связанные с его изложением, тесно переплетаются с проблемами постановки курса информатики в целом.
В данном параграфе мы изложим некоторые замечания об истории и тенденциях информатизации образования, которая происходит на наших глазах и, несомненно, окажет ощутимое влияние на все стороны жизни общества. Мы также поделимся некоторыми соображениями о проблемах постановки курса информатики в школе и педагогическом вузе, что оказывает заметное влияние на ход процесса информатизации- В этом отношении мы в первую очередь будем говорить о школьной информатике, поскольку проблемы здесь стоят намного острее, чем в вузе, и поскольку решение сходной проблемы для педагогического вуза, по сути, вытекает из того, что мы хотим получить в среднем образований.
Эволюция. Обращаясь к истории информатизации образования, кратко напомним основные этапы появления компьютеров в системе образования. Мы выделяем три таких этапа: пионерский этап, этап персональных компьютеров (ПК) и этап компьютерных сетей (КС). Пионерский этап охватывает конец 50-х — 70-е годы и характеризуется попытками энтузиастов из вузов и НИИ познакомить школьников с существовавшими тогда в небольшом количестве крупногабаритными ЭВМ и программированием для них.
Так, в 50-е годы АЛ. Ершов и его сотрудники проводили занятия по программированию в ряде школ г. Новосибирска. В это же время многие специалисты шли к пониманию того, что знания и умения в области кибернетики и ее приложений являются обязательными для всех учащихся.
Толчком к созданию целенаправленных учебных программ по курсу программирования для средних школ послужило появление в начале 60-х годов школ с математической специализацией, предусматривающих подготовку вычислителей-программистов на базе общего среднего образования [125], Становление первых школ (классов) с математической специализацией позволило накопить важный для будущего опыт организационного взаимодействия общеобразовательных средних школ и учреждений (предприятий), имеющих вычислительную технику.
В это же время появилось новое предложение по этому поводу — создание базового школьного курса кибернетики [23], Было принято решение начать с 1961/62 учебного года в рамках эксперимента преподавание такого курса- 1961-1964 гг. — этап формирования курса «Основы кибернетики и автоматики», зачинателем которого был B.C. Леднев. Таким образом, базовым курсом» который рекомендовался для всех, был курс основ кибернетики и автоматики. Термин «информатика» сформировался гораздо позже из двух терминов «информация» и «автоматика» [85].
Развитие сети школ со специализацией в области программирования сыграло еще одну весьма важную положительную роль: оно возбудило поток публикаций и методических разработок, посвященных вопросам преподавания программирования школьникам. Большой вклад в этом направлении был сделан СИ. Шварцбурдом, В.М. Монаховым и В.Г. Ашкинузе [75,77,78,80],
В начале 70-х годов, возникли (наряду с другими направлениями обучения учащихся, связанными с определенными рабочими профессиями) специализации на базе учебно-производственных комбинатов (УПК) по профессиональной подготовке учащихся старших классов в области применения вычислительной техники.
Анализ педагогической и методической составляющих курса программирования привел к появлению такого понятия, как «алгоритмическая культура учащихся» [65, 66].
В конце 70-х годов начало массового производства микро-ЭВМ и скачок доступности ЭВМ возбудили новую волну исследований по проблеме внедрения ЭВМ и программирования в школу. Группой ученых из ВЦ Сибирского отделения АН СССР (АЛ. Ершов, Г.А, Звенигородский, Ю.А. Первин) была разработана концепция школьной информатики, а также — уникальная система программирования «Школьница» и язык Рапира (Г.А. Звенигородский).
В 1982 г, решением Министерства просвещения СССР в учебный процесс школы были введены калькуляторы.
Революция в преподавании информатики началась с момента появления персональных компьютеров и осознания обществом того факта, что отставание страны в этой области отбросит ее назад надолго, если не навсегда.
Психолого-педагогические основы обучения моделированию в школе и педагогическом вузе
Анализ существующей литературы показал, что в настоящее время мало внимания уделяется обоснованности выбора тех или иных моделей, подходу к подаче учебного материала. В основном, при этом упор делается на практическую применимость, что, конечно же, важно, но не всегда оказывается достаточным для создания методики, учитывающей психологические особенности обучаемых и способствующей их творческому развитию. На наш взгляд, при подаче материала преобладает репродуктивный подход, когда учитель выступает в роли источника информации, а ученики ее поглощают.
Не секрет, что развитие мышления ребенка является одной из основных задач обучения и воспитания. Недостаточно успешное решение этой задачи обесценивает усилия педагогов и делает маленького, а затем и взрослого человека плохо приспособленным даже к элементарным требованиям жизни [102].
В настоящее время одним из важных направлений отечественной педагогики является гуманизация образования. В этом направлении развиваются идеи о том, как в преподавании учитывать различные типологические особенности учащихся с целью наибольшего раскрытия индивидуальности личности.
Одним из факторов, учитывающих индивидуальность школьников (студентов), является их психофизиологические особенности памяти, восприятия учебного материала. Крупнейшие достижения в этой области связаны с открытием функциональной асимметрии мозга, сделанным Р, Сперри.
Р. Сперри — это психобиолог из Калифорнийского технологического института. В 1981 году он стал Нобелевским лауреатом в области физиологии и медицины. Эта престижная премия была присуждена ему за исследования функций разделенных полушарий головного мозга. Под руководством Р. Сперри его студент Майкл Газзанига осуществил тестирование пациентов; нейрохирург Джозеф Боуген — провел нейрологические тесты и вместе с Филиппом Фогелем впервые провел операцию по разделению полушарий головного мозга. Эти люди, а также многие другие, кто работал вместе с ними, впервые установили, в чем заключаются различия между левым и правым полушариями головного мозга.
Под функциональной асимметрией мозга подразумевают такое неравенство больших полушарий, при котором в отношении одних функций главным оказывается левое, а других — правое полушарие. За последние годы показано, что левое полушарие ответственно за речевые функции, логическое и математическое мышление, т.е. оно выполняет лингвистические и математические функции, оно "умеет говорить", "склонно к анализу", последовательному аналитическому речевому мышлению. Правое полушарие является доминирующим в отношении восприятия или переработки конкретных раздражений, данных в реальном пространстве и времени. Оно отвечает за формирование творческих способностей - музыкальных, художественных, оно "артистично", но "безмолвно", так как не принимает участие в формировании речи и не способно выполнять задачи, требующие речевого мышления или оценки и принятия решения на основе языка [4]
Учебные среды компьютерные моделирования
Как уже говорилось в Главе 1, одним из оригинальных инструментов компьютерного моделирования в школе является знаменитая среда Лого. Лого — это обозначение философии обучения с помощью расширяющейся семьи языков программирования, которые эта философия и породила.
Эта среда была создана под руководством профессора Массачусетского технологического института С, Пейперта. Психологической предпосылкой были личный опыт автора и работы Жана Пиаже, Детям, по-видимому, заложена от природы способность к учению, поскольку задолго до школы они осваивают огромный объем знаний. Например, дети учатся говорить, ориентироваться в пространстве (благодаря интуитивным знаниям геометрии), овладевают на житейском уровне риторикой и логикой, Пиаже выделял два рода обучения: естественное, стихийное при взаимодействии с окружающей средой и учение по установленным программам. Причем, если в первом случае знания получаются без внутреннего сопротивления, то в другом — процесс усвоения знаний затруднителен. С, Пейперт воспользовался этими идеями Ж. Пиаже для осмысления своего детского опыта обучения. Так, увлечение С. Пейперта с 2-х летнего возраста автомобилями и их устройством привело к тому, что все новые знания он постигал, пользуясь в качестве моделей зубчатыми передачами. Основываясь на учении Ж, Пиаже, С. Пейперт сделал вывод, что с помощью такого объекта, как зубчатая передача, у ребенка устанавливаются чувственные связи с физическим миром и абстрактные — с формальными знаниями.
Основным «действующим лицом» среды Лого является исполнитель Черепашка. С. Пейперт назвал ее «объектом, с помощью которого думают». Ведь не каждый может увлечься зубчатыми передачами, В настоящее время существует много различных исполнителей, но им не свойственна та многофункциональность, которая свойственна Черепашке, а среду Лого в целом можно рассматривать как средство для овладения искусством интеллектуального моделирования.
Что умеет Черепашка? Двигаться по экрану вперед и назад на заданное число «шагов», поворачиваться направо и налево на соответствующее количество градусов. Причем, при передвижении она может после себя «оставлять след» — рисунок, или же перемещаться без рисования.
В существующих в нашей стране средах Лого команды для этих действий можно писать как по-русски, так и по-английски. Для выполнения вышеуказанных действий используются следующие команды:
вперед п (вп п) — движение вперед на п «шагов»; данную команду можно записать и по-английски — fd п;
назад п (нз п)— движение назад на п шагов (bk п);
налево а (лв а)— поворот налево на а градусов (It а);
направо а (пр а)— поворот направо на а градусов (rt а);
перо опусти (по) — дальнейшие команды на перемещение будут выполняться с рисованием (pd);
перо подними (пп) — дальнейшие команды на перемещение будут выполняться без рисования (ри);
В реальной программе указываются конкретные значения п и а. Между командой и числом ставится пробел. Начальное положение Черепашки — середина экрана, «головой» вверх. Начальный угол поворота при этом — 0 градусов.
Если ученики изучают английский язык, то, на мой взгляд, команды лучше писать на этом языке — тогда легче будет проходить адаптация к другим языкам программирования, команды которых пишутся по-английски.
Лого — язык, допускающий интерпретацию. Это значит, что Лого может использоваться в диалоговом режиме, что удобно при освоении каждой из команд языка. Приобретаются первые навыки управления Черепашкой, ее движением. Л заодно ученики среднего звена могут лучше познакомиться с угловыми величинами.
Дальше можно заметить, что, при рисовании какого-либо предмета некоторые команды или группы команд повторяются. В таких случаях лучше пользоваться командой повтори (repeat), рядом с которой пишется число (сколько раз) и в квадратных скобках — повторяемые команды.
Похожие диссертации на Методика обучения основам компьютерного моделирования в педагогическом вузе и школе
