Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Теоретические основы компьютерного обучения геометрии 11
1. Содержание процесса компьютеризации образования и тенденции его развития 11
2. Психолого-педагогические основы компьютерного обучения геометрии в средней школе 24
3. Принципы конструирования и интегрирования КУН в процесс обучения геометрии в средней школе 37
Глава 2. Технология реализации компьютерного обучения геометрии в средней школе 58
1. Анализ КУН по геометрии и методика их применения в процессе обучения геометрии в средней школе 58
2. Содержание и методика компьютерного обучения геометрии с применением "The Geometer's Sketchpad" 79
3. Предметно-ориентированная среда "Геометрия": структура, функции, методика применения 117
4. Курс "Компьютерное обучение геометрии в средней школе" в рамках предмета "НИТО" для студентов математических факультетов педвузов .126
Глава 3. Дидактический эксперимент: цели, этапы, результаты 136
1. Подготовка и планирование эксперимента ...136
2. Выбор критериев оценки эффективности 141
3. Результаты эксперимента. 146
Заключение 155
Список литературы 157
- Содержание процесса компьютеризации образования и тенденции его развития
- Анализ КУН по геометрии и методика их применения в процессе обучения геометрии в средней школе
- Подготовка и планирование эксперимента
Введение к работе
Происходящее в настоящее время изменение образовательной парадигмы, направленное на обеспечение развития и саморазвития личности учащегося и связанное с переходом от узкопредметных знаний к метапредметным, влечет не только появление новых предметов изучения, но и изменение подходов к изучению традиционных дисциплин. Целью обучения в таком случае становится как передача и усвоение знаний, так и выработка умений и навыков исследования информации, обмена ею и использования для получения новых знаний и создания образа окружающего мира.
Основным техническим средством передачи и переработки информации в настоящее время является компьютер, выступающий в качестве инструмента построения знания. Возможность использования компьютера как средства обучения была предметом исследования многих педагогов, психологов, специалистов по вычислительной технике (А.П.Ершов, М.А.Далингер, Б.С.Гершунский, В.А.Извоз-чиков, Б.И.Машбиц, В.М.Монахов, О.К.Тихомиров и др.)
В большинстве исследований, посвященных различным аспектам компьютерного обучения, компьютер рассматривается как техническая база автоматизированных обучающих систем (АОС), реализующих идеи программированного обучения. Опыт использования обучающих программ, выполняющих различные функции АОС, позволил выявить целый ряд недостатков, присущих компьютерному обучению, основанному на идеях программированного обучения. К ним относятся следующие: компьютер позволяет обучать лишь простому материалу; компьютерное обучение не способствует развитию инициативы учащегося; обучение путем подкрепления ответа хуже чем обучение, основанное на интеллектуальных упражнениях; компьютерное обучение не дает возможности получить целостное представление об изучаемом предмете.
Психологи, исследующие проблему компьютеризации обучения .В.Брушлинский, В.Ф.Венде, Т,И.Гергей, В.П.Зинченко, В.Н.Каптелинин, Б.Ф.Ломов, Е.И.Машбиц, Л.В.Путляева, А.Я.Савельев, Н.А.Садовская, О.К.Тихоми-ров и др.)» отмечают, что компьютерное обучение, которое сводится к процедуре передачи с помощью ЭВМ определенного объема знаний по некоторому алгоритму, может привести к дегуманизации мышления. При широком использовании компьютеров в учебном процессе нарушается соотношение между формально-логическим и творческим стилями мышления. Формально-логическое мышление, характеризующееся высоким уровнем абстракций, получает мощный дополнительный стимул. Значение творческого, образного мышления при этом снижается, в результате чего следует ожидать, что творческое мышление будет систематически подавляться (Н.А.Андриевская, Л.В.Путляева, Б.С.Гер-шунский, А.А.Вербицкий).
Массовое внедрение в последние годы компьютерных технологий во все сферы деятельности человека, обусловленное появлением персональных компьютеров нового поколения с качественно новыми вычислительными и логическими возможностями, совершенным интерфейсом, развитие на этой основе компьютерных технологий обучения и расширение дидактических возможностей компьютера создают предпосылки для ко 5
ренного изменения процесса обучения с использованием компьютерных технологий.
В связи с этим становится актуальным пересмотр представления и определение роли и места компьютерных технологий в процессе обучения вообще, и в школьном обучении в частности.
Особый практический интерес представляет определение роли и места компьютерных технологий в обучении геометрии в связи с тем, что использование компьютерных технологий в обучении геометрии способно не только повысить эффективность обучения за счет наглядного представления информации, оказывающего положительное влияние на формирование и развитие гибкого геометрического мышления (Ш.Ж.Асылбеков, Е.В.Баранова, В.В.Гу-зеев, В.А.Далингер, Н.В.Розов, С.Н.Поздняков, А.М.Са-вин, С.А.Титоренко, И.Ф.Шарыгин, и др.), но и создает представление о профессиональной деятельности, связанной с проектированием, конструированием и другой обработкой визуальной информации в профессионально-ориен-тированных автоматизированных рабочих местах.
Анализ существующих компьютерных программ учебного назначения по геометрии показал, что инструментальные пред метно-ориентированные среды по геометрии, такие как Cabri, The Geometer s Sketchpad, обладают значительным преимущест вом по сравнению с традиционными диалогово-обучающими или демонстрационными программами. Предметно ориентированные среды позволяют оперировать с геометрическими объектами определенного класса, реализуют геометрические построения и преобразования. Преимущество их использования состоит в том, что учитель может самостоятельно созда 6
вать на их основе систему заданий и демонстрационные материалы, соответствующие целям и задачам конкретного урока. Однако, использование предметно-ориентированных сред в процессе обучения геометрии требует разработки методического сопровождения и подготовки к их использованию специалистов.
Таким образом, необходимость пересмотра содержания компьютерного обучения геометрии с учетом результатов психологических и педагогических исследований, расширение дидактических возможностей компьютера и проблема подготовки специалистов к применению современных компьютерных технологий в школьном обучении определили актуальность темы исследования "Методика реализации компьютерного обучения геометрии в средней школе".
Цель исследования: определение принципов и способов интеграции компьютерных технологий в обучение геометрии и разработка на этой основе методики их реализации в учебном процессе.
Объект исследования - процесс обучения геометрии с использованием компьютерных технологий обучения.
Предмет исследования - подготовка специалистов к реализации компьютерного обучения геометрии.
Гипотеза исследования: изучение студентами математического факультета педагогических вузов дидактических возможностей компьютера в обучении геометрии, психолого-педагогических основ компьютерного обучения, основ конструирования и применения программных средств обучения обеспечивает формирование у них уровня знаний и умений, доста 7
точного для эффективного применения компьютерных технологий в процессе обучения геометрии в школе.
Задачей исследования является определение роли и места компьютерных технологий в обучении геометрии, которая включает ряд частных задач:
1)разработка и исследование принципов интеграции компьютерных технологий в процесс обучения геометрии с учетом современных дидактических возможностей компьютера, психологических и дидактических требований к компьютерному обучению;
2)исследование методических возможностей компьютерных программ учебного назначения по геометрии и разработка рекомендаций по их использованию в процессе изучения школьного курса геометрии;
3)разработка методики применения предметно-ориентированной инструментальной среды The Geometer s Skecthpad" на различных этапах школьного обучения геометрии; 4)определение требований к уровню подготовки учителей для реализации компьютерного обучения и разработка методики подготовки учителей математики и информатики к реализации компьютерного обучения;
5)разработка курса "Компьютерное обучение геометрии в средней школе" в рамках предмета «Новые информационные технологии в образовании» для студентов математических факультетов педвузов;
6)разработка принципов конструирования компьютерных программ учебного назначения по геометрии и открытой компьютерной предметно-ориентирова-нной среды по геометрии, реализующей эти принципы; 7)экспериментальная проверка эффективности разработанных методик.
В ходе исследования нами использовались следующие методы: анализ психолого-педагогической, методической и учебной литературы по проблеме исследования, методы системного анализа, психолого-педагогический анализ учебного процесса и учебно-познавательной деятельности, педагогические наблюдения, беседы, анкетирование учителей и учащихся, организация и проведение экспериментов (констатирующего, поискового и формирующего), количественная обработка и качественная интерпретация экспериментальных данных.
Научная новизна работы состоит в том, что:
- разработаны и научно обоснованы принципы применения современных компьютерных технологий в обучении геометрии и разработана предметно-ориентированная среда, в которой реализованы сформулированный принципы; - разработана научно обоснованная методика применения программы "The Geometer s Sketchpad" в процессе обучения геометрии в 7-9 классов; - разработана научно обоснованная методика подготовки учителей математики и информатики к реализации компьютер ного обучения геометрии.
Практическая значимость результатов исследования состоит в том,что: разработанная методика применения предметно-ориентированной среды "The Geometer s Sketchpad" дополняет традиционную методику обучения геометрии и позволяет эффективно использовать дидактические возможности компьютера в рамках предметного обучения в средней школе;
разработанная открытая предметно-ориентированная среда "Геометрия" позволяет сформировать представление о принципах конструирования программ средств учебного назначения по геометрии и может быть использована при подготовке студентов математических специальностей педагогических вузов к применению современных компьютерных технологий в процессе обучения.
Достоверность полученных результатов и научных выводов обеспечивается:
- анализом проблемы, основанным на теоретических концепциях компьютерного обучения;
- результатами педагогического эксперимента, подтвердившего основные положения диссертации.
Апробация работы. Результаты исследования докладывались и обсуждались на:
- научно-практической конференции "Актуальные проблемы информатизации в образовании" - г.Санкт-Петербург, 1995г.;
- семинарах для учителей информатики Приморского и Ва-силеостровского районов г.Санкт-Петербурга, 1995-1997гг;
- научно-методических семинарах кафедры "Информатики и вычислительной техники" РГПУ им.А.И.Герцена.
Практические результаты диссертационного исследования внедрены в учебный процесс: - экспериментальной школы-лаборатории № 597 Института Продуктивного Обучения РАО;
- средней общеобразовательной школы № 16 Василеост-ровского района г.Санкт-Петербурга;
- Центра информатизации образования Института продуктивного обучения РАО;
- математического факультета РГПУ им А.И. Герцена.
На защиту выносятся следующие положения:
- принципы и методы применения компьютерных технологий в обучении геометрии;
- содержание и методика проведения в курсе геометрии 7-9 классов уроков - лабораторных работ с использованием компьютера;
- разработана научно обоснованная методика применения программы "The Geometer s Sketchpad" в процессе обучения геометрии в 7-9 классов;
- содержание и методика курса "Компьютерное обучение геометрии в средней школе" для студентов математического факультета педагогических вузов.
Содержание процесса компьютеризации образования и тенденции его развития
Потребность в оснащении современного общества новыми информационными технологиями делает необходимой информатизацию образования вообще и среднего образования, в частности. Информатизация и компьютеризация затрагивают в современных условиях все стороны учебно-воспитательного процесса. Понятия "информатизация" и "компьютеризация" иногда ошибочно считают синонимами, ссылаясь на то, что компьютер является обязательным средством сбора, обработки и хранения информации. Компьютеризация как основа изменения деятельности действительно является спутником информатизации, но в отличие от компьютеризации, состоящей в использовании вычислительной техники в той или иной деятельности, информатизация заключается в "выявление алгоритмов, внутренне присущих некоторой области и составляющих ее информационную сторону" [153] Под компьютеризацией понимают обычно использование вычислительной техники в той или иной деятельности. Академик А.П.Ершов так определял это понятие:
"Компьютеризация - это внесение компьютеров в некоторую область деятельности, сопровождаемое заметной перестройкой этой деятельности под воздействием компьютера". [61]. Компьютеризация образования рассматривалась как первый шаг к информатизации - построению информационного общества. "Информатизация как информационный процесс сводится к представлению в форме, доступной для хранения, обработки и передачи электронно-техническими средствами всей социально-значимой информации."[ 63]
В современных условиях, когда компьютер стал непременным атрибутом многих профессий, формирование компьютерной грамотности приобретает не меньшее значение, чем овладение основами информатики. [109] Молодые люди, закончив школу, должны обладать достаточными знаниями и навыками для использования компьютерных технологий в своей дальнейшей деятельности. Формирование у всех учащихся, независимо от ступени и профиля образования, навыков пользователя компьютерной техники является одной из важнейших задач компьютеризации образования.
Проблема подготовки молодого поколения к жизни в информационном мире стала актуальной для всех культурно развитых стран. Эта проблема была вынесена на обсуждение специальной комиссией ЮНЕСКО международной ассоциации по информатике еще в 1981 году и неоднократно обсуждалась в последующие годы, принимая все новые аспекты. В настоящее время мировая практика обучения основам компьютерной грамотности и обучения с помощью компьютеров располагает различными подходами к решению этого вопроса. Различия касаются как содержания компьютерного образования, так и форм его внедрения в школу. Содержание знаний и навыков, а также воспитательные задачи, связанные с работой на ЭВМ, определяются в каждой стране с учетом своих особенностей, в соответствии с требованиями к будущему специалисту или пользователю.
Особенностью компьютеризации образования в нашей стране является включение основ информатики и вычислительной техники в систему школьных дисциплин в качестве отдельного учебного предмета. Такое решение было продиктовано требованием организации в нашей стране всеобщего компьютерного обучения, преподаванием основ компьютерной грамотности всем учащимся, получающим среднее образование. [63] Вопросам отбора содержания и разработке общей концепции преподавания информатики были посвящены работы Ершова А.П. , Монахова В.М., Житомирского В.Г. и др. Следует отметить, что основные направление в преподавании курса основ информатики и вычислительной техники, в отборе содержания н форм проведения занятий, первоначально ориентировались на "безмашинный" вариант обучения, поэтому приоритетным было формирование основных понятий информатики и теоретических основ использования ЭВМ. Так, наибольшее внимание уделялось рассмотрению вопросов алгоритмизации и программирования, знакомству с архитектурой ЭВМ, прикладным аспектам уделялось значительно меньше внимания. Формировались не столько навыки применения компьютера для решения практических задач (работа с текстом и графикой, моделирование, и т.п.), сколько представления о возможности применения компьютера для этих целей.
Анализ КУН по геометрии и методика их применения в процессе обучения геометрии в средней школе
Одним из видов компьютерных программ учебного назначения (КПУН) является компьютерный учебник - программно-методический комплекс, обеспечивающий возможность самостоятельно освоить учебный курс или его большой раздел. КУ соединяет в себе свойства обычного учебника, справочника, задачника и лабораторного практикума. По данным каталога РОСЦИО [77] программные продукты, представляющие собой компьютерный учебник, составляют подавляющее большинство программного обеспечения для обучения математики, разработанного и зарегистрированного в России. К программам такого рода относятся: "Исследование поведения функций", "TEST", "Симметрия",. "Функции и их графики", "Матсервис - 5, "Матсервис-6", "Математика-6", "Функции", "Геометрия-7", "Квадратные уравнения". На рынке компьютерных программ существуют и зарубежные разработки такого рода. Примером компьютерных учебников к курсу геометрии, могут служить "Geometry" и "Mathematics Algebra & Geometry".Компьютерные обучающие системы по геометрии такого рода имеют следующую структуру.
Режим теории - это удобная в эксплуатации справочная система, содержащая основные определения, свойства геометрических объектов, утверждения и теоремы учебного курса. Режим примеров и иллюстраций. Любая математическая дисциплина нуждается в привлечении геометрических образов математических абстракций. Многие математические утверждения становятся понятнее, легче и лучше запоминаются и усваиваются, если они получают графическую интерпретацию. Данный режим является первичным этапом обучения.
Режим тренажера. Это следующий этап обучения. Он соответствует этапу простейших вопросов и упражнений, которыми, как правило, сопровождаются разделы традиционных учебников.
Режим задач. Этот режим дает возможность учащемуся самостоятельно решать содержательные задачи.
Режим вопросов. Этот режим реализует завершающий контроль качества усвоения, в результате его прохождения должен быть выявлен уровень овладения учебным материалом.
Роль каждого элемента конкретной обучающей компьютерной системы зависит от ее специфических целей. Например в электронном задачнике могут отсутствовать режим теории и режим примеров и иллюстраций, в контролирующих программах по геометрии может содержаться только режим вопросов или задач.
Предметно-ориентированная среда (ПОС) - новое и перспективное направление в области создания программных продуктов для обучения. ПОС- учебный пакет программ, позволяющий оперировать с объектами определенного класса. Среда реализует отношения между объектами, операции над объектами и отношениями, соответствующие их определению, а также обеспечивает наглядное представление объектов и их свойств. Примерами предметно-ориентированных сред по геометрии могут служить программы СаЬгу и The Geometer s Sketchpad (GSP).
Методические возможности предметно-ориентированных сред в обучении геометрии значительно шире, чем компьютерных учебников или демонстрационных программ. Основное преимущество состоит в возможности использования инструментов предметно-ориентированной среды для создания демонстраций, геометрического конструирования, проведения исследований.
Идея создания программного обеспечения, дающего возможность учителям и студентам использовать компьютер не только как инструмент, но и как обучающее средство принадлежит программистам из Центра Развития Образования (The National Assessment of Education Progress) Дж. Шварц и М.Ерушалми, осуществившим ее в 1985 году. Созданная ими программа Geometric Supposers для компьютеров Apple позволяла студентам самостоятельно открывать для себя геометрию, исследуя чертежи и формулируя математические утверждения. Изучение геометрии при таком подходе дополняется серией законченных исследований свойств фигуры, взаимосвязей элементов, при этом знание доказательств по-прежнему является обязательным.
Подготовка и планирование эксперимента
Приступая к эксперименту, мы ставили перед собой следующие цели:
1) изучить состояние рассматриваемой проблемы в практике ра боты школы;
2) скорректировать и реализовать разработанную методику применения GSP на различных этапах обучения геометрии в систематическом курсе (7-9 класс);
3) скорректировать методику подготовки учителей к применению современных компьютерных технологий в обучении;
4) проверить выдвинутую гипотезу.
В соответствии с указанными целями в ходе эксперимента необходимо было решить следующие задачи: 1) выбрать методику проведения эксперимента; 2)определить сроки проведения эксперимента;
3)провести эксперимент в соответствии с выбранной методикой;
4)провести количественную обработку результатов эксперимента;
5)произвести качественную интерпретацию результатов эксперимента.
Экспериментальное исследование включало констатирующий, поисковый, обучающий эксперименты и обработку их результатов.
Констатирующий эксперимент, проводился в 1993-95 годах в школах NN 115, 56 г.С- Петербург и в школе лаборатории 597 Института Продуктивного обучения. Целью данного эксперимента являлось:
1) выявление основных затруднений учащихся при изучении систематического курса геометрии 7- 9 классов;
2) поиск путей преодоления выявленных затруднений в изучении геометрии 7-9-х классов, имея ввиду возможность применения компьютера в обучении;
3) определение характера и уровня компьютерной грамотности учителей, их готовности к использованию компьютерных технологий в обучении;
4) определение характера и уровня компьютерной грамотности студентов математического факультета РГПУ им.И.А.Герцена, их готовности к реализации компьютерного обучения.
Использовались следующие методы: тестирование и анкетирование, беседы с учителями.
На этом этапе были получены данные, позволяющие выяснить, что наибольшие затруднения у учащихся 7-9 классов при изучении геометрии вызывает решение задач на доказательство.
Затруднения учащихся обусловлены неумением использовать дедуктивные рассуждения, основанные на применении теоретического материала (определений, аксиом, теорем); неправильным или неполным представлением о содержании геометрического понятия; недостаточным овладением математической терминологией и математической речью. На этом этапе исследовались возможности компьютерного обучения в преодолении этих затруднений, а также влияние компьютерного обучения на повышение эффективности учебного процесса .
Результатом первого этапа исследования явилось выдвижение гипотезы о возможности использования компьютерных технологий для формирования правильного представления о вводимых геометрических понятиях, для установления связи между абстрактными геометрическими понятиями и наглядными образами и необходимость подготовки учителей к применению компьютерных технологий в обучении.
На этом этапе экспериментальной работы удалось выявить тенденцию повышения мотивации изучения геометрии в условиях компьютерного обучения, которая в свою очередь способствовала формированию и развитию навыков экспериментальной и исследовательской деятельности. Однако количественные характеристики эффективности компьютерного обучения на этом этапе не выявлялись.
