Введение к работе
Новые стандарты высшего профессионального образования ориентированы на компетентностныи подход и модульный принцип проектирования основных образовательных программ. Формированию общекультурных и профессиональных компетенций магистрантов по направлению «Педагогическое образование» будет способствовать включение в содержание подготовки современных знаний, имеющих практический выход. В ФГОС ВПО выделены компетенции, формирующиеся при подготовке магистров в области научно-исследовательской, проектной и методической деятельности. Информационно-технологическая компетентность является ведущей составляющей в развитии выделенных компетенций магистранта по направлению «Педагогического образования», специализирующегося в области информационных технологий.
В своей профессиональной педагогической деятельности магистрант как будущий учитель информатики профильной школы должен уметь использовать средства информационных технологий, обеспечивающие возможность обработки, представления, долговременного хранения и передачи подготовленных учебно-методических материалов, строить и развивать информационную образовательную среду учебного заведения, проектировать и реализовывать самообразование.
Одним из этапов обработки информации является сохранение информации в файл определенного формата с возможностью выбора алгоритма сжатия и настройки параметров сжатия с целью получения приемлемого качества восстановленного после сжатия изображения, записанного в файл небольшого размера.
Исследования по алгоритмам сжатия информации без потерь начались в 1950-х годах XX века, после публикации работы Клода Шеннона по математическим основам теории связи (1948). В 1952 году Дэвид Хаффман разработал алгоритм сжатия текстовых сообщений, использующий коды переменной длины. Развитие алгоритмов сжатия информации связано с разработкой и улучшением в 1984-1987 годах алгоритма арифметического кодирования (Cleary J., Langdon G., Neal R., Witten 1.). Классические алгоритмы словарного сжатия были разработаны учеными Якобом Зивом и Абрахамом Лемпелем в 1977 (LZ77) и 1978 (LZ78) годах, в 1982 году Сторер и Жиманский разработали алгоритм LZSS, а в 1984 году Терри Велчи разработал алгоритм LZW, применяющийся в формате GIF.
По мере увеличения количества передаваемой информации по каналам связи при использовании алгоритмов информации сжатия без потерь возникали проблемы. Это послужило стимулом к началу в 70-х годах XX века исследований в области алгоритмов изображений без потерь. Комитет JPEG (Joint Picture Experts Group) разработал международные стандарты сжатия цифровых изображений JPEG (1990)hJPEG2000(2002).
Необходимость передачи больших объемов мультимедиа-информации привела к началу исследований в области фрактального сжатия: были разработаны базовый алгоритм фрактального сжатия (Майкл Барнсли (1990) и Алан Слоан (1991)) и
алгоритм кодирования с использованием квадродерева (Ювал Фишер (1994)). Увеличение степени сжатия и уменьшения размера файла при использовании алгоритмов фрактального сжатия становится возможным благодаря использованию систем итерируемых функций (Александров В.В., Бубличенко А.В. Кулешов СВ., СУэстлид) и аппарата теории фракталов (Морозов А.Д., Мандельброт Б, Кроновер P.M., Федер Е.).
Использование аппарата теории вейвлетов (Альфред Хаар, Ингрид Добеши, Стефан Малла и др.) позволила разработать нестандартизированные, но перспективные алгоритмы Льюиса-Ноулеса (1991), Шапиро (EZW,1993), Сайда и Пирлмана (SPIHT, 1996).
В настоящее время для хранения и обработки изображений используются такие форматы, как GIF, JPEG, JPEG2000 (Джон Миано, Дэвид Сэломон, Ян Ричардсон), продолжаются исследования в области алгоритмов фрактального (Александров В.В., Бубличенко А.В., Ватолин Д.С, Винокуров СВ., Кулешов СВ.) и вейвлет-сжатия изображений (Чобану М.К.). В результате исследований разработаны модификации этих алгоритмов для сжатия видео и многомерных сигналов (3D-SPIHT, 4D-SPIHT, QTSQ).
Интенсивные исследования в области алгоритмов сжатия данных послужили причиной к включению в программы подготовки будущих специалистов в области информационных технологий соответствующих дисциплин.
Проведенное исследование показало, что в зарубежных университетах алгоритмы сжатия информации начали изучаться систематически с 1990-х годов XX века (Д.Сэломон (2000), Guy Е. Blelloch (2001), Mark Nelson и Jean-loup Gailly (1995), Khalid Sayood (2000), Richard E. Lander (2002, 2004, 2006)). В университетах и технических вузах России и стран СНГ дисциплины по алгоритмам сжатия информации включены в программу подготовки разработчиков программного обеспечения (Ватолин Д.С. (1990), Кудряшов Б.Д.(2009), Лидовский В.В.(2003), Хусаинов Н.Ш. (1998).
Изучение алгоритмов сжатия информации позволит и будущему учителю эффективнее использовать средства обработки информации для решения своих профессиональных задач.
В тоже время, не удалось обнаружить дисциплин по алгоритмам сжатия информации, предназначенных для магистрантов по направлению «Педагогическое образование», специализирующихся в области информационных технологий.
Частично вопросы сжатия информации рассматриваются в работах Анисимовой Н.С. (2002), Алутиной Е.Ф. и Румянцева И.А. (2005), Алексеевой Т.В. (2009), Бабкина А.А. (2007), Самойлик Е.Н. (2007), Секованова B.C. (2007), Швецкого М.В. (с 1998 года), посвященных разработке содержания дисциплин «Теоретическая информатика» и «Мультимедиа-технологии», предназначенных для студентов педагогических вузов.
Изложенное выше, позволило выделить следующие противоречия:
-между теоретической разработанностью компетентностного подхода и недостаточной исследованностью связей между предметными знаниями,
составляющими содержание специальных дисциплин, и профессиональными компетенциями магистрантов по направлению «Педагогическое образование», специализирующихся в области информационных технологий;
-между актуальностью использования при решении профессиональных педагогических задач алгоритмов сжатия в процессах обработки, хранения и передачи информации и недостаточным уровнем подготовки магистрантов по алгоритмам сжатия информации;
-между преобладанием репродуктивных методов обучения и необходимостью использовать методы обучения, активизирующие учебно-познавательную, научно-исследовательскую и методическую деятельность в подготовке магистрантов по направлению «Педагогическое образование», специализирующихся в области информатики и информационных технологий, для успешного усвоения теоретического материала и развития информационно-технологической компетентности.
Выделенные противоречия определяют актуальность исследования, проблема которого заключается в необходимости научного обоснования и разработке методики обучения алгоритмам сжатия информации магистрантов направления «Педагогическое образование», специализирующихся в области информационных технологий, и развития их информационно-технологической компетентности.
Объектом исследования является процесс развития информационно-технологической компетентности магистрантов по направлению «Педагогическое образование», специализирующихся в области информатики и информационных технологий при обучении дисциплинам информационно-технологического цикла.
Предметом исследования является процесс обучения алгоритмам сжатия информации магистрантов по направлению «Педагогическое образование», специализирующихся в области информатики и информационных технологий.
Цель исследования заключается в разработке и экспериментальной проверке методики обучения алгоритмам сжатия информации магистрантов по направлению «Педагогическое образование», ориентированной на развитие информационно-технологической компетентности.
Гипотеза исследования: если методику обучения алгоритмам сжатия информации построить в соответствии со следующими условиями:
-ведущими принципами отбора содержания обучения алгоритмам сжатия информации являются принципы междисциплинарности (актуализируются знания и умения предметных областей «информатика» и «математика») и практико-ориентированности (в процессе обучения у магистрантов формируется умение применять алгоритмы сжатия информации для решения профессиональных педагогических задач средствами информационных технологий);
- используемые методы и средства обучения активизируют исследовательскую деятельность магистрантов, которая заключается в осознании магистрантами противоречий и проблемы, выделении объекта, предмета, цели и задач исследования, исследование осуществляется с помощью метода моделирования: варьируя характеристики алгоритма, студенты моделируют этапы сжатия
информации, на основании анализа полученных данных формулируют выводы об эффективности исследуемого алгоритма, соответствии полученного результата цели исследования;
-методическая поддержка самостоятельной работы студентов осуществляется с помощью дистанционных средств информационных технологий,
то это будет способствовать успешному усвоению алгоритмов сжатия информации и развитию информационно-технологической компетентности магистрантов по направлению «Педагогическое образование», специализирующихся в области информационных технологий.
Информационно-технологическая компетентность понимается, как готовность использовать средства информационных технологий для решения профессиональных педагогических задач.
Определение цели и гипотезы позволило сформулировать основные задачи исследования:
-
обосновать актуальность разработки методики обучения магистрантов по направлению «Педагогическое образование» алгоритмам сжатия информации, проанализировав научные работы и результаты исследований в области сжатия информации; программы дисциплин для студентов по сжатию информации, учебно-методические материалы;
-
осуществить отбор содержания дисциплины «Алгоритмы сжатия информации» в соответствии с требованиями междисциплинарности, практико-ориентированности и приоритета в обучении исследовательской деятельности;
-
обосновать выбор методов обучения с учетом содержания дисциплины «Алгоритмы сжатия информации», разработать средства обучения, использование которых будет способствовать усвоению теоретических основ сжатия информации и развитию информационно-технологической компетентности магистрантов по направлению «Педагогическое образование»;
4. осуществить экспериментальную проверку разработанной методики.
Для решения задач исследования применялись следующие методы:
-
теоретический анализ научной, учебно-методической и психолого-педагогической литературы отечественных и зарубежных авторов по теме исследования, ФГОС ВПО бакалавров и магистров по направлению «Педагогическое образование» и образовательных программ с целью определения разработанности проблемы и отбора содержания, форм, методов и средств обучения при подготовке магистров, специализирующихся в области информационных технологий;
-
моделирование содержания обучения алгоритмам сжатия информации в условиях реализации ФГОС ВПО;
-
педагогический эксперимент, включающий педагогическое наблюдение, проведение занятий по алгоритмам сжатия информации со студентами факультетов математики и информационных технологий РГПУ имени А.И.Герцена, тестирование и анкетирование студентов, анализ результатов учебной деятельности, оценивание уровня сформированности информационно-технологической
компетентности магистрантов в результате изучения алгоритмов сжатия информации, статистическую обработку и интерпретацию результатов исследований.
Методологическую базу исследования составляют:
-исследования, раскрывающие сущность компетентностного подхода в образовании (Байденко В.И., Бордовский Г.А., Вербицкий А.А. Зимняя И.А., Писарева С.А., Радионова Н.Ф., Ракитина О.В., Тряпицын А.В., Тряпицына А.П., Хуторской А.В.) и раскрывающие сущность подготовки будущих учителей информатики (Бороненко Т.А., Лебедева М.Б., Лаптев В.В., Макарова Н.В., Мылова И.Б., Роберт И.В., Сергеев А.Н., Швецкий М.В.);
-исследования, раскрывающие сущность деятельностного подхода в обучении (Талызина Н.Ф.);
-исследования, раскрывающие сущность личностно-ориентированного обучения (Полат Е.С., Якиманская И.С.);
Теоретическую основу исследования составляют:
-исследования в области реализации междисциплинарных связей при подготовке специалистов в области образования (Гурьев А.И., Ильина Т.Ю., Румянцев И.А.);
-исследования по разработке образовательных программ в контексте компетентностного подхода (Бордовский Г.А., Гончаров С.А., Пискунова Е.В., Писарева С.А., Радионова Н.Ф., Тряпицына А.П., Хоменко И.А.);
-исследования, раскрывающие сущность подготовки магистров педагогического образования, специализирующихся в области информатики и информационных технологий (Баранова Е.В., Власова Е.З., Лаптев В.В., Носкова Т.Н., Павлова Т.Б., Симонова И.В.);
-исследования в области применения методов обучения, активизирующих исследовательскую, проектную и методическую деятельность студентов (Седова
Н.С., Колесник Н.П.);
-исследования в области методики обучения школьников информатике (Босова Л.В., Макарова Н.В., Семакин И.Г., Титова Ю.Ф., Угринович Н.Г.).
Экспериментальная база исследования: факультеты математики и информационных технологий РГПУ имени А.И.Герцена.
Исследование проводилось с 2007 по 2012 годы и включало три этапа: поисковый, констатирующий и формирующий.
На поисковом этапе исследования (2007-2009) обоснованы актуальность темы исследования, выбраны способы решения проблемы, изучены существующие методики преподавания алгоритмов сжатия информации и смежных разделов информатики, разработаны учебно-методические материалы по методам и алгоритмам сжатия текстовой информации, проведены занятия со студентами.
На констатирующем этапе исследования (2009-2010) осуществлялась разработка учебно-методических материалов дисциплины по выбору «Алгоритмы сжатия информации» для магистрантов по направлению «Педагогическое образование», специализирующихся в области информационных технологий.
Выделены и уточнены принципы отбора содержания, выделены содержательные линии разрабатываемой учебной дисциплины и разработаны учебно-методические материалы по алгоритмам сжатия изображений, обоснован выбор методов обучения, использование которых позволяет активизировать научно-исследовательскую и методическую деятельность магистрантов.
На формирующем этапе исследования (2010-2012) корректировались и разрабатывались учебно-методические материалы по алгоритмам сжатия изображений (JPEG, фрактальное сжатие и вейвлет-сжатие), проводилась апробация разработанных материалов, полученные результаты обсуждались на конференциях.
На защиту выносятся следующие положения:
-
разработка междисциплинарных и практико-ориентированных дисциплин по выбору информационно-технологического цикла для магистрантов направления «Педагогическое образование», к которым относится дисциплина «Алгоритмы сжатия информации», будет способствовать как усвоению содержания дисциплины, так и развитию информационно-технологической компетентности магистрантов по направлению «Педагогическое образование»;
-
методика обучения алгоритмам сжатия информации магистрантов по направлению «Педагогическое образование», ориентированная на развитие их информационно-технологической компетентности должна быть разработана с учетом следующих требований:
-ожидаемыми результатами обучения являются знания теоретических основ сжатия информации; умение кодировать тексты и изображения с использованием алгоритмов сжатия информации, определять показатели эффективности сжатия; владение инструментами систем компьютерной математики для моделирования процесса сжатия информации;
-развитию информационно-технологической компетентности студентов будет способствовать сочетание репродуктивных методов обучения и методов обучения, активизирующих научно-исследовательскую и методическую деятельность;
- контроль усвоения материала осуществляется по результатам тестов, решения индивидуальных заданий с учетом личных предпочтений, решения кейсов, презентаций докладов о самостоятельных исследованиях или разработках.
3) использование сетевых сервисов для организации методической
поддержки аудиторной и самостоятельной работы будет способствовать развитию
информационно-технологической компетентности магистрантов.
Научная новизна исследования заключается в том, что:
предложен подход к развитию информационно-технологической компетентности магистрантов по направлению «Педагогическое образование» в процессе усвоения содержания дисциплины «Алгоритмы сжатия информации», основанный на изучении студентами теории и практики применения современных средств информационных технологий, междисциплинарности разработанного содержания дисциплины и адекватном сочетании традиционных методов и методов, активизирующих учебно-познавательную и исследовательскую деятельность студентов.
Теоретическая значимость исследования заключается:
-в обосновании целесообразности формирования представлений у магистрантов по направлению «Педагогическое образование», специализирующихся в области информационных технологий, о классических и современных алгоритмах сжатия информации;
-в обосновании выбора методов и средств обучения для усвоения содержания дисциплины «Алгоритмы сжатия информации» и для развития информационно-технологической компетентности магистрантов по направлению «Педагогическое образование»;
-в выделении и уточнении уровней сформированности информационно-технологической компетентности у магистрантов, изучивших дисциплину «Алгоритмы сжатия информации».
Практическая значимость исследования заключается в разработке методики обучения алгоритмам сжатия информации магистрантов по направлению «Педагогическое образование», разработке полного комплекта учебно-методических материалов для проведения лекционных и практических занятий, самостоятельной работы студентов, отобраны компьютерные программы, позволяющие моделировать процесс сжатия информации, все материалы размещены в открытом доступе на сайте .
Рекомендации по использованию результатов диссертационного исследования: разработанные учебно-методические материалы дисциплины «Алгоритмы сжатия информации» могут быть использованы при создании учебно-методических материалов других дисциплин информационно-технологического цикла для бакалавров, магистров по направлению «Педагогическое образование» и ряда других направлений подготовки («Информационные технологии в образовании», «Информационные системы и технологии», магистерская программа «Анализ и синтез информационных систем»), для повышения квалификации и переподготовки учителей информатики профильной школы.
Достоверность и обоснованность полученных результатов обеспечиваются системным теоретическим анализом проблемы исследования, выбором методов исследования, качественной и количественной обработкой результатов эксперимента и их интерпретации.
Личный вклад автора заключается в самостоятельной разработке и апробации методики обучения, учебно-методических материалов дисциплины «Алгоритмы сжатия информации» для магистрантов по направлению «Педагогическое образование», специализирующихся в области информационных технологий, сайта и его наполнения для методической поддержки самостоятельной работы студентов, организации консультаций в дистанционной форме.
Апробация и внедрение результатов исследования осуществлялись в 2007-2012 годах в процессе проведения занятий по алгоритмам сжатия информации со студентами факультетов математики и информационных технологий РГПУ им. А.И.Герцена. Обсуждение теоретических положений диссертации осуществлялось через публикации и участие в конференциях: «Электронное обучение и управление
знаниями в системе профессиональной подготовки» (Санкт-Петербург, РГПУ имени А.И.Герцена, 2009г.); «Региональная информатика (Санкт-Петербург, 2010, 2012 гг.); «Информационные технологии в общем образовании» (Саратов, 2010, 2011, 2012 гг.); «Новые образовательные стратегии в современном информационном пространстве» (РГПУ имени А.И.Герцена, 2011, 2012гг.); «Педагогическое образование в переходный период: результаты исследований 2010 года» (СПб, РГПУ имени А.И.Герцена, 2011, 2012 гг.).; «Информационные технологии для новой школы» (СПб, ГОУ ДПО ЦПКС «Региональный центр оценки качества образования и информационных технологий», 2011, 2012 гг.); 5-ая и 6-ая научные олимпиады по педагогическим наукам «Научное творчество» (РГПУ имени А.И.Герцена 2011, 2012 гг.); VI всероссийская научно-практическая конференция с международным участием «Открытое образование: опыт, проблемы, перспективы» (Красноярск, ГОУ ВПО Красноярский педагогический университет им. В.П.Астафьева, 2011 г.).
Результаты диссертационного исследования были обсуждены на межвузовском методологическом семинаре Института математики, физики, информатики ФБГОУ ВПО «КГПУ им. В.П.Астафьева» с дистанционным участием ведущих российских вузов 25.10.2011 года.
Структура работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, библиографии (175 наименований), девяти приложений, 33 таблиц и 32 рисунков (286 страниц).
