Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Теоретические основы обучения компьютерной графике в школе 11
1.1. Анализ концепций обучения компьютерной графике в школьном курсе информатики 11
1.2. Самостоятельная деятельность учащихся как основа методики обучения информационным технологиям в школьном курсе информатики 21
1.2.1. Понятие "самостоятельная деятельность" 21
1.2.2. Понятие "познавательная задача" 27
1.3. Роль познавательной задачи в разделе "Информационные технологии" школьного курса информатики 40
1.3.1. Дидактические функции познавательной задачи в школьном курсе информатики 40
1.3.2. Структура познавательной задачи при обучении разделу "Информационные технологии" в школьном курсе информатики 54
1.4. Сравнительный анализ пакетов компьютерной графики 60
1.4.1. Растровый способ описания изображений 61
1.4.2. Векторный способ описания изображений 63
1.4.3. Интерфейс графических редакторов и стандартные элементы управления 67
1.4.4. Редакторы растровой графики 68
1.4.5. Пакеты векторной графики 79
Выводы по главе 1 89
Глава 2. Отбор содержания обучения векторной графике в школьном курсе информатики
2.1. Отбор основных понятий курса "Векторная графика" 92
2.1.1. Структура векторной иллюстрации 92
2.1.2. Математические основы векторной графики 93
2.1.3. Базовые элементы векторной иллюстрации 95
2.1.4. Классы объектов и способы управления организацией объектов 97
2.1.5. Структура и дидактические связи базовых понятий курса "Векторная графика" 105
2.2. Разработка модели познавательной задачи 108
2.3. Реализация модели познавательной задачи средствами пакета векторной графики CorelDraw 114
2.4. Сравнительный анализ решения познавательной задачи в среде редакторов векторной графики CorelDraw и FreeHand 120
Выводы по главе 2 139
Глава 3. Реализация методики обучения векторной графике в школе 142
3.1. Общая характеристика опытно-экспериментального исследования 142
3.2. Подготовка учащихся старших классов при обучении векторной графике — состояние и проблемы 148
3.3. Отбор содержания курса "Векторная графика" с помощью факторного анализа 152
3.4. Проверка гипотезы на основе критериев статистической оценки различий 158
Выводы по главе 3 161
Заключение 162
Литература 164
Приложения 171
- Анализ концепций обучения компьютерной графике в школьном курсе информатики
- Отбор основных понятий курса "Векторная графика"
- Общая характеристика опытно-экспериментального исследования
Введение к работе
Актуальность исследования
На сегодняшний день такая область информатики как компьютерная графика охватывает все виды и формы представления изображений, доступных для восприятия человеком либо на экране монитора, либо в виде копии на внешнем носителе. Занимая все более прочные позиции, она находит применение не только в компьютерном мире, но и в различных сферах человеческой деятельности: научные исследования (визуализация строения вещества, векторных полей и т.д.), медицина (компьютерная томография), опытно-конструкторские разработки. Поэтому, умение работать с компьютерной графикой является неотъемлемой частью информационной грамотности любого человека. Даже во многих объявлениях о приеме на работу, содержащих требование уметь работать на персональном компьютере, предполагается умение работать не только с текстовыми документами, но и с графическими объектами. Данная ситуация привела к изменению социального заказа общества школе: необходим качественно новый подход к изучению темы "Компьютерная графика". Однако отведенное нормативными документами учебное время на освоение содержания темы "Компьютерная графика" недопустимо мало. Являясь элементом содержания большого раздела школьной информатики "Информационные технологии", компьютерная графика представлена в основном простейшими программными средствами обработки объектов растровой графики. Тем не менее, в примерных программах по информатике и информационным технологиям содержатся дидактические единицы векторной графики. Большое многообразие профессиональных программных средств обработки объектов векторной графики ставит перед учителем сложные задачи, связанные в первую очередь с необходимостью обоснованного выбора конкретного программного средства, а также с разработкой методики обучения векторной графике. Существующие учебные пособия либо не затрагивают данное содержание совсем, либо предлагают простей ший материал, не позволяющий сформировать у учащихся целостного представления о технологии обработки объектов векторной графики. Таким образом, актуальность данного исследования определяется необ ходимостью разрешения противоречием между требованиями общества к подготовке выпускников школ в области информационных технологий, связанных с графикой и дизайном и отсутствием разработанной методики обучения этим технологиям.
Сказанное позволяет сформулировать научную проблему: построение методической системы обучения векторной графике и ее реализация в форме учебного спецкурса на этапе профильного обучения.
Данная проблема позволяет определить цель исследования: разработать методику обучения векторной графике.
Объектом исследования выступает процесс обучения векторной графике в разделе "Информационные технологии" на этапе профильного обучения (р в школьном курсе информатики.
Предметом исследования является модель познавательной задачи как « основа самостоятельной деятельности учащихся при обучении векторной графике в школьном курсе информатики.
Гипотеза исследования. Методика обучения векторной графике в школьном курсе информатики, основанная на технологии решения познавательной задачи, позволит сформировать у учащихся умения самостоятельного освоения средств создания и обработки векторных изображений.
Для решения вышеуказанной проблемы и проверки достоверности сформулированной гипотезы исследования были поставлены следующие задачи. 1. На основе анализа методической, психолого-педагогической и дидактической литературы, образовательных стандартов, в которых содержатся сведения о содержании школьной дисциплины «Информатика и инфор- мационные технологии», обосновать необходимость разработать методі, Дику обучения векторной графике.
2. Выявить содержание и структуру самостоятельной деятельности учащихся в школе при изучении темы "Векторная графика" как основы ме V» тодики обучения данной теме.
3. Выявить роль познавательной задачи в разделе "Информационные тех нологии".
4. Разработать модель познавательной задачи при обучении векторной графике.
5. Реализовать модель познавательной задачи средствами пакета векторной графики CorelDRAW.
6. Показать возможность самостоятельно решить познавательную задачу (отличающуюся по содержанию, но имеющую аналогичную технологию решения) средствами другого векторного редактора.
Для решения поставленных задач были использованы следующие методы исследования: анализ психолого-педагогической и научно-методической » литературы по проблеме исследования; анализ школьных стандартов, учеб ников и учебных пособий по разделу "Информационные технологии" школь кЧ ной дисциплины "Информатика и информационные технологии"; изучение и обобщение передового опыта преподавания информатики и, в частности, информационных технологий в школе; наблюдение за учебной деятельностью школьников, а также изучение и анализ ее результатов; эксперимент, практическая апробация и др.
Основные этапы и организация исследования. На первом этапе (2000-2001 гг.) осуществлялся анализ литературы по проблеме исследования, а также изучалось состояние обучения созданию и обработке графических изображений. Проведен анализ компонентов самостоятельной деятельности учащихся и анализ концепций обучения компьютерной графике в школе. Выявлены нереализованные возможности преподавания векторной графике на этапе профильного обучения.
На втором этапе (2001-2003 гг.) через теоретический и методический анализ содержания раздела "Компьютерная графика" была раскрыта сущ ность проблемы организации самостоятельной деятельности учащихся, выдвинута гипотеза, намечена методическая программа решения проблемы, • проведены первые этапы педагогического эксперимента.
На третьем этапе (2003-2004 гг.) исследования была полностью реализована методическая программа, проведен формирующий эксперимент. На основе обобщения экспериментальных и теоретических результатов были сделаны выводы.
Научная новизна исследования состоит в разработке нового подхода к организации самостоятельной деятельности учащихся при обучении векторной графике на этапе профильного обучения в школьном курсе информатики.
Теоретическая значимость исследования
1. В результате анализа компонентов самостоятельной деятельности учащихся (цели, мотивы, содержание, методы, формы и средства) в качестве базового элемента выделена познавательная задача, решение которой V позволяет реализовать все указанные компоненты.
2. Раскрыты дидактические функции познавательной задачи (как цель, как ц метод, как средство обучения) в школьном курсе информатики с учетом специфики обучения разделу "Информационные технологии".
3. Классификация познавательных задач и подзадач, основанная на анализе уровня познавательной активности учащихся, позволила сформулировать способы деятельности по созданию и обработке векторных изображений.
4. Построена теоретическая модель познавательной задачи, на основе которой организовано изучение курса "Векторная графика".
Практическая значимость исследования
1. На основе анализа программ компьютерной графики было выбрано программное средство (CorelDRAW), на примере которого будет реализова но содержание курса "Векторная графика".
2. На основе предложенной модели познавательной задачи в соответствии с целями обучения сконструировано содержание обучения по теме "Век торная графика" в рамках спецкурса на этапе профильного обучения в школе.
3. Реализована модель познавательной задачи в среде выбранного программного средства (CorelDRAW).
4. Разработан дидактический материал для организации самостоятельной деятельности при обучении векторной графике.
Достоверность полученных результатов исследования подтверждается:
- методологией исследования;
- теоретическим анализом научно-методической и педагогической литературы по проблеме организации самостоятельной деятельности учащихся в школе;
- экспериментальной работой и статистической обработкой результатов педагогического эксперимента.
Структура построения диссертации и логика ее изложения отражает последовательность решения основных задач исследования.
Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы и приложений.
Во введении обоснована актуальность исследования, сформулирована его проблема, объект и предмет, высказана гипотеза, определены задачи и методы исследования, раскрыта новизна, теоретическая и практическая значимость работы, изложены основные положения, выносимые на защиту.
Первая глава посвящена теоретическому анализу основных компонентов самостоятельной деятельности учащихся с учетом специфики предмета "Информатика и информационные технологии". Выделен ведущий компонент самостоятельной деятельности — познавательная задача, которая диктует содержание обучения векторной графике. Определено программное средство для реализации содержания обучения.
Вторая глава посвящена отбору содержания обучения векторной графике в школьном курсе информатики. Проведен отбор основных понятий темы "Векторная графика", на основании которого построен граф содержания данной темы. С учетом графа предложена технология обучения векторной графике через решение познавательной задачи. Построена модель познавательной задачи, основанная на идее шаблонной технологии. Реализация модели познавательной задачи в среде пакета CorelDRAW представлена на примере решения конкретной познавательной задачи. Показано, что при включении учащихся в процесс формирования обобщенных знаний и способов деятельности обеспечивается рост их познавательной активности и самостоятельности.
В третьей главе приведены результаты педагогического эксперимента, направленного на уточнение той части гипотезы исследования, которая отражает аспект отбора содержания методики обучения векторной графике.
Заключение содержит основные выводы о возможности реализации теоретических и практических положений, выдвинутых в проведенном исследовании, для построения курса "Векторная графика".
В приложениях приведены учебная программа курса "Векторная графика", примеры лабораторных работ, выполняемых школьниками на занятиях по векторной графике, результаты решения учащимися познавательной задачи.
На защиту выносятся:
— методика обучения векторной графике, основанная на технологии решения познавательной задачи, способствующая формированию приемов самостоятельной деятельности учащихся по созданию и обработке графических изображений с помощью различных редакторов векторной графики;
— модель познавательной задачи как система подзадач, реализация которых основана на шаблонной технологии.
Апробация результатов исследования осуществлялась автором через публикации и выступления на научно-методических семинарах и конференциях по проблемам преподавания информатики в школе:
— на I Съезде учителей и методистов Северо-Запада и Санкт-Петербурга, посвященного 300-летию Санкт-Петербурга и 140-летию методической службы России (г. Санкт-Петербург, СПбГУПМ, 2003 г.);
— на международных научно-практической конференциях по проблемам информатики и вычислительной математики (VI Царскосельские чтения, ЛГОУ им. А.С. Пушкина, 2002 г.; VIII Царскосельские чтения, ЛГУ им. А.С. Пушкина, 2004 г.);
— на семинаре директоров центров информационных технологий Ленинградской области.
Теоретические положения обсуждались на научно-методическом семинаре "Вопросы теории и практики обучения информатике" на кафедре Современных образовательных технологий РГПУ им. А.И. Герцена (2000-2001 гг.).
Анализ концепций обучения компьютерной графике в школьном курсе информатики
В современном обществе работа с компьютерной графикой является не отъемлемой частью компьютерной грамотности любого человека. Компью терная графика находит применение в различных сферах человеческой дея тельности: научные исследования (визуализация строения вещества, вектор ных полей и т.д.), медицина (компьютерная томография), опытно-кон структорские разработки, дизайн (моделирование одежды, интерьера). С рас ширением сферы применения компьютерной графики специалисты из мно гих областей знаний оказались вовлеченными в процесс работы с ней, не об ладая достаточными представлениями о предмете. С каждым днем специали сты с высоким уровнем квалификации в области компьютерной графики все более востребованы.
В связи с этим изменился социальный заказ общества школе, поэтому необходим качественно новый подход к изучению темы "Компьютерная графика" раздела "Информационные технологии". Этот раздел в школьном курсе информатики является наиболее емким по содержанию.
В примерной программе по информатике и информационным технологиям [10], представляющей собой один из возможных вариантов построения программы, раздел "Информационные технологии" представлен следующими элементами содержания:
— технология обработки текстовой информации;
— технология обработки графической информации;
— технология обработки числовой информации;
- технология хранения, поиска и сортировки информации;
— мультимедийные технологии; компьютерные коммуникации.
В учебниках, которые разработаны в соответствии с Базисным учебным планом [42], содержание учебного материала раздела "Информационные технологии" представлено по-разному — на примере различных программ ных средств и в разном объеме. Помимо этого объем часов, отведенный на изучение этого раздела, слишком мал в сравнении с тем содержанием, которое может быть освоено. Наиболее ярко это несоответствие проявляется при изучении темы "Технология обработки графической информации". Как правило, эта тема в школе представлена следующим содержанием:
— основы компьютерной графики (виды компьютерной графики, форматы графических файлов);
- создание изображений с помощью простейшего редактора растровой графики Paint.
В примерной программе по информатике и информационным технологиям [10] предусмотрено изучение другого вида компьютерной графики —векторной, а также знакомство с одним из редакторов векторной графики.
Однако методика обучения этому содержанию отсутствует.
В связи с этим основной идеей данного исследования является построе ние методики обучения векторной графике в школьном курсе информатики.
Чтобы составить представление о степени разработанности темы "Векторная графика" в школьном курсе информатики, покажем, как указанная тема представлена в соответствующих разделах школьных учебников и пособий.
В учебном пособии А.Г. Гейна для 10-11 классов [7] присутствуют раз делы, соответствующие минимуму содержания курса информатики [42]. Не которые разделы школьного курса представлены в широком объеме, а раздел "Информационные технологии" — обзорно (представлены стандартные ин струменты и возможности, которыми обладает практически любой графиче i« ский редактор).
Отбор основных понятий курса "Векторная графика"
Процесс рисования в программах векторной графики сводится к созданию контуров (объектов) нужной формы и приданию им определенных заливок и обводок. Таким образом, самая сложная векторная иллюстрация составляется из простых объектов, как из кубиков.
Рассмотрим базовые элементы, присутствующие в любой векторной иллюстрации: линию, кривую Безье, узлы.
Линия. Основные свойства линии определяются заданием ряда атрибутов: формы, толщины, цвета, стиля. От вида линии зависит количество ее атрибутов. Например, открытая линия, в отличие от замкнутой, не имеет атрибута заливки.
Кривая Безье обладает рядом свойств, благодаря которым она присутствует в любом современном графическом пакете. Перечислим эти свойства:
непрерывное заполнение между начальной и конечной точками сегмента;
кривая всегда располагается внутри фигуры, образованной линиями, соединяющими контрольные точки (совокупность начальной, конечной и соответствующих им управляющих точек);
частный случай кривой Безье — прямая линия (образуется при коллине-арном, т.е. на одной прямой, размещении управляющих точек);
кривая Безье симметрична (изменение направления траектории не влияет на форму кривой);
изменение координат хотя бы одной из отточек ведет к изменению формы всей кривой Безье.
Узел (опорная точка) — начало или конец каждого сегмента. Узлы фиксируют положение сегмента, привязывая его к определенной позиции в контуре. Форму контура изменяют путем манипуляции узлами, то есть:
перемещением узлов;
изменением свойств узлов;
добавлением или удалением узлов.
Выделенный узел криволинейного сегмента имеет одну или две управляющие точки, соединенные с узлом касательными линиями. Тип узла определяет вид касательных линий и методы управления кривизной сегмента. Существуют три типа узловых точек:
гладкий узел (касательные линии лежат на одной прямой, но имеют разную длину);
симметричный узел (длина обоих отрезков касательных одинакова, и они лежат на одной прямой);
острый узел (касательные линии, расположенные с разных сторон узловой точки, не лежат на одной прямой).
Рассмотренные базовые объекты и принципы работы с ними лежат в основе всех программ векторной графики. Рассмотрим теперь основные классы объектов и способы управления организацией объектов в трех ведущих программах векторной графики.
Все объекты редакторов векторной графики Adobe Illustrator, Macromedia Freehand и CorelDraw можно условно разделить на классы. Такое структурирование удобно для понимания свойств объектов и возможностей их преобразования. Художественное разнообразие, непохожесть объектов достигается исключительно за счет управления свойствами объектов, их положением на странице и способами взаимодействия между собой. Обучаемый "конструирует" изображение на странице из набора стандартных классов объектов.
В таблице 7. приведены ведущие объекты (и соответствующие им инструменты) присутствующие в Adobe Illustrator, Macromedia Freehand и Corel Draw.
Технологию работы с любыми графическими объектами можно представить в виде совокупности действий: создание, выделение, редактирование объекта. Сравним, как осуществляются эти действия в рассматриваемых нами редакторах векторной графики.
Самым распространенным классом объектов, назовем его условно первым, являются кривые (Curves). Любая кривая обладает стандартным набором свойств — цвет и толщина контура, тип и цвет заливки.
Создание кривых во всех трех редакторах осуществляется следующими способами:
создание кривой простановкой узлов;
создание кривой методом протягивания указателя по выбранной траектории.
Общая характеристика опытно-экспериментального исследования
В процессе проводимого исследования была поставлена цель: сформировать у обучаемых умение осуществлять самостоятельную деятельность при обучении информатике в школе на примере содержания темы «Графические пакеты программ» раздела "Новые информационные технологии". Для реализации цели было проведено исследование, направленное на решение следующих задач:
1) проанализировать состояние проблемы преподавания раздела "Компьютерная графика", который является одним из элементов содержания обучения на этапе профильной (предпрофессиональной) подготовки учащихся 10-11 классов;
2) разработать методику обучения пакетам векторной графики, в основу которой положена идея разработки модели познавательной задачи;
3) реализовать разработанную методику в разделе "Компьютерная графика" школьного курса информатики.
Экспериментальное исследование согласно поставленным задачам проводилось в три этапа в период с 2001-2004 гг. на различных уровнях учебного процесса на базе гимназии № 406 г. Пушкина и в ЛГУ им. А.С.Пушкина при подготовке будущих учителей информатики:
в рамках факультативного раздела "Графические пакеты программ" с
учащимися 10 класса гимназии № 406 в 2001-2003 гг;
в рамках спецкурса со студентами 3 раздела факультета математики, физики и информатики ЛГУ им. А.С. Пушкина в 2003-2004 гг.
В экспериментальном исследовании принимали участие учащиеся старших классов гимназии № 406 Пушкинского района г. Санкт-Петербурга, студенты 3 курса факультета математики, физики и информатики ЛГУ им. А.С.Пушкина, слушатели образовательных программ повышения квалификации и переподготовки педагогических кадров (в общей сложности 130 человек).
Известно, что педагогический эксперимент содержит ряд этапов: 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.
Приведем основные задачи, методы и результаты всех этапов педагогического эксперимента. Важным представляется наличие способов проверки эффективности использованных методов, что облегчает вывод о достоверности полученных в исследовании результатов, а также используемых в педагогическом эксперименте моделей.
Поисковый этап
Задачи этапа:
а) определение актуальности темы исследования, обозначение путей решения основных проблем исследования;
б) формулировка гипотезы построения методики обучения векторной графике в школьном курсе информатики.
Методы исследования:
а) теоретический анализ психолого-педагогической и методической литературы с целью определения степени разработанности проблемы;
б) изучение и обобщение состояния проблемы в школе;
в) наблюдения за процессом обучения информатике в школе.
Резулыпаты эксперимента:
а) выявлена объективная необходимость и определены теоретические основы построения методики обучения компьютерной графике в школе;
б) обнаружены недостатки в существующих концепциях обучения компьютерной графике школьного раздела информатики;
в) разработана методика обучения компьютерной графике, в основу которой положена идея разработки абстрактной модели познавательной за
дачи.
Проверка достоверности:
а) по достаточной полноте круга литературных источников, содержащих необходимую информацию;
б) по репрезентативности выборки преподавателей педагогических вузов и учителей информатики;
в) формирующим экспериментом.
Констатирующий этап
Задачи этапа: формулировка гипотезы о разработке методики обучения компьютерной графике в школьном курсе информатики. Методы исследования:
а) интервьюирование учителей информатики, школьников;
б) анкетирование школьников;
в) экспертные оценки учителями информатики;
г) метод проверки статистических гипотез.
