Методика обучения теории параллельных вычислений в условиях двухступенчатой подготовки специалистов по информатике в педагогических вузах Киров, Сергей Николаевич

Введение к работе

Информатизация общества предполагает широкое внедрение, средств вычислительной техники и новых информационных технологий в различные сферы жизни и деятельности человека, преобразует все структуры общества, оказывает большое влияние на систему образования, приводя к ее компьютеризации. В области компьютеризации образования в нашей стране необходимо отметить значение теоретических и практических исследований, проведенных В.М.Глушковым, А.П.Ершовым, Г.А.Звенигородским, В.А.Извозчиковым, В.В.Лаптевым и другими учеными. За рубежом в области компьютеризации следует выделить работы Н.Вирта, Э.Дейкстры, Д.Кнута. Ч.ЗСоара.

Одной из составляющих частей компьютеризации образования является изучение информатики как учебной дисциплины в педагогических вузах. Однако, по настоящее время теоретические основы дисциплины "Оснозы информатики и вычислительной техники" в педвузах недостаточно разработаны, и следствием этого является ярко выраженная технологическая и прикладная направленность курса информатики в педагогических вузах. Такое углубление технологической направленности, тем не менее, не мсает быть беспредельным, т.к. неизбежно натолкнется на естественные ограничения, порожденные отсутствием или недостаточностью общенаучной базы. Подготовка специалистов по информатике должна производиться на основе программ, в которых преобладают Фундаментальные знания, которые в наименьшей степени подвержены старению.

Основы параллельных вычислений, конкурентного программирования, принципы построения альтернативных архитектур ЭВМ являются, на наш взгляд, одними из важных составляющих Фундаментального знания. Развитие средств вычислительной техники, компьютерных технологий, технологий программирования на современном этапе убедительно показывает, что проникновение идей параллелизма в каждую из этих областей будет в дальнейшем все более усиливаться. В наше время трудно встретить современный компьютер, в котором не использовалось, по крайней мере, отдельных элементов параллельной обработки. В персональных ЭВМ параллелизм проявляет себя в принципах Функционирования не только отдельных узлов ЗБМ (таких как графические акселераторы, сопроцессоры, контроллеры многочислен-

ных внешних устройств), но ив работе центрального процессора ПЭВМ.

Переход к параллельной обработке информации является своего рода неизбежным путем для развития вычислительной техники и информатики. Такой переход, сопровождаемый повышением скорости вычислений, приводит также к- значительному изменению алгоритмов решения задач и используемых структур данных, появлению новых языков и технологий программирования, изменению человеческого мышления в целом. Учет этих тенденций определяет жизненность и Фундаментальность знаний, приобретаемых студентами в курсе информатики.

Обучение в курсе информатики архитектурам компьютерных систем, позволяющим организовать параллельную обработку информации, необходимо для того, чтобы расширить круг знаний студентов о современных компьютерных системах, микропроцессорах, направлениях их дальнейшего развития. Кроме того, этот курс имеет важное значение и в профессиональной подготовке учителя информатики, так как углубляет знания о персональных компьютерах и позволяет более осознанно оценивать возможности школьных компьютеров.

Предложенный 9.и.Кузнецов им курс "Структура я программное обеспечение ЭВМ" для студентов педагогических вузов, имеет целью дать представление о компьютере как о системе, представляющей неразрывное единство аппаратных и программных средств.

Следует отметить, что аппаратные средства компьютера автор предлагает рассматривать в этом курсе на уровне моделей логических элементов, узлов и их Функциональных возможностей. Здесь же на Функциональном уровне дается представление о взаимодействии процессора и периферийных устройств и о возможности организации и исполнения параллельных процессов.

Изменение архитектуры ЭВМ оказывает непосредственное влияние на изменение технологии программирования. Появление и развитие альтернативных архитектур ЭВМ, вычислительных сетей выделило ряд новых направлений в разработке программного обеспечения - параллельного, конкурентного и распределенного программирования.

Таким образом, современные направления развития архитектуры ЭВМ приводят к потребности в изучении помимо вопросов теории и практики последовательного программирования (широко рассматривав-

мых в настоящее, время в курсе информатики) новых технологий программирования .

Основу современной концепции школьного курса информатики составляет дифференциация обучения, в соответствии с которой содержание курса, не являясь единым для всех школьников, должно учитывать способности учащихся и из профессиональную направленность, которая имеет особое значение в старших классах. Таким образок, предпроФессиональная подготовка старшеклассников приобретает особую значимость.

В данной концепции из приведенного ряда направлений дифференциации выделим следующие: Soft-курс, Brain-курс и Hard-курс. Первые два из них предполагают изучение парадигм программирования и операционных систем, Hard-курс предполагает изучение логических элементов ЭВМ и логического проектирования ЭВМ. Таким образом, возникает необходимость подготовки в педагогических вузах учителей, обладающих необходимыми знаниями в области названых курсов.

Сказанное выше определяет актуальность данного исследования и позволяет сформулировать проблему исследования, состоящую в разрешении противоречия между необходимостью Фундаментальной образовательной подготовки учителя информатики, одной из составляющих которой является обучение теории параллельных вычислений, и слезившейся системой его подготовки в педвузе.

Объектом исследования выступает учебный процесс подготовки учителя информатики в педагогическом вузе в условиях двухступенчатого образования.

Цель исследования состоит в разработке теоретической модели обучения теории параллельных вычислений в курсе информатики педагогического вуза в условиях двухступенчатого образования.

Определенный целью предмет исследования представляет собой теоретическая модель обучения теории параллельных вычислений в курсе информатики педвуза.

Теперь моано сформулировать тему исследования-, "Методика обучения теории параллельных вичислений в условиях двухступенчатой подготовки специалистов по информатике в педвузах".

Методика обучения теории параллельных вычислений в качестве основного на данном этапе компонента включает теоретическую модель обучения, имеющую структуру методической системы.

- б -

Под "методической системой" понимается введенный А.М.Пышкало термин, отражающий совокупность пяти связанных компонентов: целей обучения, содержания обучения, методов. Форм и средств обучения.

Реализация теоретической модели обучения теории параллельных вычислений в рамках учебного процесса позволит построить методическую систему обучения теории параллельных вычислений в педагогическом вузе.

Методическая система обучения архитектуре однопроцессорных ЭВМ будущих учителей информатики, основанная на использовании языков программирования низкого уровня, приведена в диссертационном исследовании Н.И.Рыжовой. Данная концепция опиралась на определение термина "архитектура ЭВМ" по Г.Майерсу, в силу чего система машинных команд (машинный язык) является определяющей частью архитектуры однопроцессорной ЭВМ. Стремление повысить производительность и эффективность ЭВМ всегда сопровождалось изменением в системе машинных команд. Именно система команд определяет интерфейс взаимодействия отдельных компонентов архитектуры, а значит, и уровень ее развития.

Сказанное выше позволяет выдвинуть гипотезу исследования, которая будет положена в основу концепции построения теоретической модели обучения теории параллельных вычислений.

Основными положениями, являющимися базисом при построении теоретической модели обучения теории параллельных вычислений ЯВЛЯЮТСЯ:

концепция современного информационного общества и информатизации образования;

концептуальный взгляд на предмет информатики как науки;

концепция школьного курса информатики;

концепция многоуровневой подготовки специалиста по информатике в системе высшего педагогического образования;

принципы профессионально-педагогической направленности обучения будущих учителей информатики.

Гипотеза исследования состоит в следующем-, теоретическая модель обучения теории параллельных вычислений может быть построена, если воспользоваться перечисленными выше концепциями и принципами , а также:

- технологией отбора содержания обучения теории параллельных
вычислений;

системным подходом, позволяющим выделить в ней 3 методические подсистемы: "Введение в теорию параллельных вычислений"."Параллельные вычисления в архитектурах компьютерных систем" и "Моделирование КОМПЬЮТерНЫХ СИСТеМ";

методом учебных информационных моделей.

Концепция исследования состоит в том, что построение теоретической модели обучения теории параллельных вычислений основывается на учете следующих Факторов, определяющих ее содержание:

основы теории взаимодействующих последовательных процессов;

основы конкурентного программирования;

альтернативные архитектуры компьютерных систем.

Проверке справедливости сформулированной гипотезы будет предшествовать обоснование утверждения: "Языки программирования являются средством обучения архитектуре компьютерных систем".

Данное утверждение базируется на известном высказывании Г.Ш&-йерса о том, что "мысленное компилирование" программ, написанных на языках высокого уровня, часто используется как. средство изучения архитектуры компьютерных систем.

а) Утверждение является очевидным для обучения архитектуре ма
шин языков высокого уровня.

б) Проверка справедливости утверждения отнесена к случаю изу
чения альтернативных архитектур ЭВМ (классификация альтернативных
архитектур приведена в si.6.2).

Для достижения поставленной цели исследования необходимо решить ряд задач.

Первая группа задач - методологического характера-.

1. Определить принципы отбора содержания теоретического и практического материала.

2. Подобрать такое определение информатики, которое позволило бы выпукло представить Фундаментальные вопросы данной науки, а также обосновать место данного курса в информатике как научной дисциплине и в информатике как учебной дисциплине, проследить его влияние на другие раздели учебного предмета информатики.*

3. Определить разделы информатики и математики, на которые опирается содержание обучения теории параллельных вычислений.

Вторая группа задач - теоретического характера; построение теоретической модели обучения теории параллельных вычислений студентов педагогического вуза.

Третья группа задач - практического характера: она связана с определением путей практической реализации теоретических положений исследования, при этом необходимо:

4. Проверить и уточнить разработанные теоретические положения в условиях поискового эксперимента.

5. Разработать учебные материалы по данному разделу для преподавателей вузов по планированию и проведению учебных занятий.

Для проведения исследования использовались следующие методы-.

6. Анализ специальной литературы по математике, информатике, вычислительной технике и методика преподавания информатики.

7. Анализ учебных пособий и программ по информатике для школы и вуза.

8. Изучение и обобщение зарубежного опыта изучения архитектуры компьютерных систем.

9. Изучение и обобщение педагогического опыта.

10. Метод экспертных оценок, поисковые и констатирующие эксперименты по проверке отдельных методических положений работы;

11. Построение модели методической системы обучения теории параллельных вычислений.

Научная новизна исследования:

Автором впервые разработана концепция и теоретическая модель обучения теории параллельных вычислений в курсе информатики и вычислительной техники педагогических ВУЗов.

Проведенное исследование и предложенные в нем теоретические подходы могут рассматриваться как основа для последующей их адаптации к школьному курсу информатики.

Теоретическая значимость исследований определяется научной новизной и характером работы, сбозначивией круг специфических для преподавания информатики в педагогическом институте актуальных проблем, порожденных необходимостью усиления фундаментального направления в ее преподавании.

Практическая значимость полученных результатов заключается в разработке общей структуры лекционных, практических и лабораторных занятий при обучении теории параллельных вычислений в педвузе, на основе чего могут быть скорректированы учебные планы и программы подготовки студентов педагогического института в сфере информатики и вычислительной техники.

Внедрение результатов исследования - в рамках спецсеминара в 1994-95гг проводились занятия со студентами тьюторскоЯ группы РГПУ им.А.И.Герцена.

Апробация результатов исследования осуществлялась на научно-методических семинарах и конференциях по проблемам преподавания информатики Всесоюзном научно-практическом совещании {Омск. 1990 г.), 11-ой Всероссийской конференции "Компьютеры в образовании" (Санкт-Петербург, 1994), Всероссийской научно-практической конференции "Черноземье 95" (Воронеж, 1995), на заседаниях и семинарах кафедры информатики РГПУ км.А.И.Герцена.

Положения, BUHCcrmue на защиту.-

1. классификационные вопросы отбора содержания обучения теории параллельных вычислений;

2. теоретические основы построения курса "Теория параллельных вычислений";

3. содержание обучения теории параллельных вычислений при двухступенчатой подготовке специалистов по информатике в педвузе, представленное в виде трех разделов: "Введение в теории параллельных вычислений", "Параллельные вычисления в архитектурах компьютерных систем" и "Моделирование компьютерных систем".