Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Семиотический подход как средство повышения эффективности обучения программированию учащихся 7-9 классов 15
1.1. Развитие целей и содержания обучения программирования в российской школе 15
1.2. Организационно-педагогические условия повышения эффективности обучения программированию учащихся 7-9 классов 26
1.3. Анализ методических подходов к обучению программированию 36
1.4. Семиотический подход к обучению программированию 48
Выводы по главе 1 64
Глава 2. Методика обучения программированию на основе семиотического подхода . 66
2.1. Модель обучения программированию учащихся 7-9 классов на основе семиотического подхода 66
2.2. Робототехника как средство реализации семиотического подхода к обучению программированию 76
2.3. Методика обучения программированию учащихся на основе семиотического подхода 84
2.4. Система оценивания эффективности методики обучения программированию 110
Выводы по главе 2 124
Глава 3. Огранизация и результаты педагогического эксперимента 126
3.1. Цели, задачи и организация педагогического эксперимента 126
3.2. Методика проведения и анализ результатов констатирующего и поискового этапов педагогического эксперимента 134
3.3. Методика проведения и анализ результатов формирующего этапа педагогического эксперимента 141
Выводы по главе 3 146
Заключение 148
Библиографический список
- Организационно-педагогические условия повышения эффективности обучения программированию учащихся 7-9 классов
- Семиотический подход к обучению программированию
- Робототехника как средство реализации семиотического подхода к обучению программированию
- Методика проведения и анализ результатов констатирующего и поискового этапов педагогического эксперимента
Введение к работе
Актуальность исследования. Современное информационное общество массовой глобальной коммуникации обусловливает проблему взаимодействия человека с информационными системами, основу которого составляют системы знаков (символьные, текстовые, графические, аудиальные). Данный процесс формализуется средствами искусственных языков, в частности, языков программирования.
Как отмечают Н. Г. Салмина, А. В. Славин, Л. М. Фридман, в процессе познания окружающей действительности существенное значение имеют умения обучающихся работать с формализованной информацией, которые необходимо целенаправленно развивать, начиная со школы. Важную роль в этом процессе играет обучение программированию, которое является неотъемлемой частью школьного курса информатики.
В соответствии с Федеральным государственным образовательным стандартом (ФГОС) в основной школе основы программирования изучаются в 7-9 классах. К метапредметным результатам обучения программированию относятся умения создавать, применять и преобразовывать знаки и символы, модели и схемы для решения учебных, познавательных и исследовательских задач.
Проблеме обучения программированию в базовом курсе информатики посвящены исследования С. А. Бешенкова, А. И. Газейкиной, А. Г. Гейна, М. П. Лап-чика, И. В. Рожиной, И. Г. Семакина, Д. А. Слинкина. В работах подчеркивается значение алгоритмического мышления, коммуникативных умений, проектной деятельности в обучении программированию. Вместе с тем проблема обучения учащихся знаково-символическим действиям, характерным для формализации, алгоритмизации и программирования, остается недостаточно исследованной. В связи с этим, как показывает анализ школьной практики, при обучении программированию до сих пор возникают значительные трудности. Таким образом, проблема взаимодействия человека со знаками и знаковыми системами является актуальной.
Знаки и знаковые системы являются предметом исследования семиотики. Основы семиотики как науки изначально разрабатывались в философии и лингвистике (Ч. Морис, Ч. С. Пирс, Ф. де Соссюр), однако в связи с увеличением сложности знаковых систем семиотический подход постепенно становится общеметодологическим и развивается в междисциплинарных областях знаний (теория коммуникаций, кибернетика, компьютерная лингвистика). Проблеме использования идей и принципов семиотики в образовательном процессе посвящены работы А. А. Веряева, К. Р. Пиотровской, А. Б. Соломоника. Вопросы реализации идей и принципов семиотики в обучении информатике находят отражение в исследованиях К. И. Баумане, Н. А. Кургановой, Э. В. Миндзаевой, Н. И. Рыжовой, В. И. Фомина, в которых отмечается эффективность применения семиотического подхода к развитию умений обучающихся работать со сложными знаково-символическими системами при изучении учебных дисциплин.
Несмотря на большое количество работ, посвященных семиотическому подходу, его дидактический потенциал не исчерпан, кроме того, он возрастает с возникновением новых научных направлений, технических средств и технологий,
позволяющих реализовать его на качественно новом уровне. Одним из них являются аппаратно-программные средства робототехники. Все более распространяющееся увлечение молодежи робототехникой может быть использовано для реализации семиотического подхода в обучении программированию: решение интересной практической задачи по «обучению» робототехнических устройств определенному алгоритму действий естественным образом мотивирует обучающихся к активной и целенаправленной работе со знаково-символическими системами, до этого для него скучной и непонятной. Робототехника привлекает учащихся новизной и разнообразием методов работы, актуальностью содержания, возможностью наглядного представления результата своей знаково-символической деятельности.
Вопросам введения курса робототехники в школу посвящены работы К. А. Вегнера, Д. Г. Копосова, С. А. Филиппова, W. I. McWhorter. Однако в этих работах обучение робототехнике является самостоятельной целью и не рассматривается возможность использования робототехники как средства для решения задач обучения программированию.
Таким образом, применение семиотического подхода и средств робототехники в обучении программированию дает возможность решить проблему повышения мотивации школьников и облегчить усвоение учебного материала, которое требует осуществления знаково-символической деятельности. Тем не менее, до настоящего времени этот вопрос не являлся предметом специальных научно-педагогических исследований.
Изложенное выше позволяет выделить следующие противоречия:
- на социально-педагогическом уровне - между повышенными требования
ми общества к выпускникам школы, связанными с необходимостью владения
средствами и методами программирования для ориентирования в сложных зна-
ково-символических системах (глобальная сеть, интерфейс различных приклад
ных программ, среды моделирования и программирования и др.), и недостаточ
ной ориентацией образовательной системы на реализацию этих требований;
-на научно-педагогическом уровне - между необходимостью повышения уровня подготовки учащихся 7-9 классов в области программирования и недостаточной разработанностью теоретических основ обучения основам алгоритмизации и программирования, соответствующих современному уровню информатизации и компьютеризации школ;
- на научно-методическом уровне - между возможностями применения се
миотического подхода и средств робототехники для повышения уровня учебной
мотивации, сформированности знаково-символических действий, предметных
знаний и умений учащихся по программированию и отсутствием методик обу
чения с их использованием.
Выявленные противоречия обусловливают актуальность исследования и определяют его проблему: как организовать учебный процесс по информатике в современных условиях для повышения эффективности обучения программированию?
Объективная необходимость изучения обозначенной проблемы, недостаточная теоретическая и практическая ее разработанность определили тему ис-
следования - «Обучение школьников программированию на основе семиотического подхода».
Объект исследования - процесс обучения информатике в основной школе.
Предмет исследования - обучение программированию учащихся 7-9 классов.
Цель исследования - теоретическое обоснование и разработка методики обучения программированию в курсе информатики в 7-9 классах на основе семиотического подхода.
В соответствии с проблемой, объектом, предметом и целью исследования была выдвинута следующая гипотеза.
Повышение эффективности обучения программированию учащихся 7-9 классов может быть обеспечено, если:
в основу разработки методики обучения программированию будет положен семиотический подход, сущность которого заключается в целенаправленном развитии у школьников знаково-символических действий (замещения, кодирования, схематизации, моделирования);
построить курс обучения программированию на основе использования средств робототехники, что позволит повысить уровень учебной мотивации, предметных знаний и умений обучающихся.
Под эффективностью обучения программированию в исследовании будем понимать достижение обучающимися планируемых целей: сформированности учебной мотивации, знаково-символических действий, предметных знаний обучающихся при рациональном использовании материальных ресурсов, времени и усилий субъектов образовательного процесса.
Исходя из цели и гипотезы были сформулированы следующие задачи исследования.
-
Провести анализ научной, учебно-методической, психолого-педагогической и нормативной литературы с целью выявления современного состояния проблемы обучения программированию в школе.
-
Обосновать эффективность применения семиотического подхода для разработки методики обучения информатике и сформулировать принципы его использования при обучении программированию.
-
Разработать модель обучения программированию на основе принципов семиотического подхода.
-
На основе созданной модели разработать методику обучения программированию с использованием комплексных задач и заданий на развитие знаково-символических действий, осуществляемых в процессе конструирования и программирования роботов.
-
Обосновать комплекс критериев эффективности применения семиотического подхода при обучении программированию и экспериментально проверить эффективность разработанной методики обучения программированию учащихся 7-9 классов.
Теоретико-методологическую основу исследования составляют работы в области методологии и организации педагогического исследования (В. И. Загвязинский, В. С. Леднев), формирования содержания образования
(А. Г. Асмолов, В. В. Краевский), проблем развития учебных действий учащихся (А. В. Усова), общей теории знаков и знаковых систем (Ч. Морис, Ч. С. Пирс, Ф. де Соссюр, Ю. С. Степанов, Г. Фреге), роли знаково-символической деятельности в процессе познания (Н. Г. Салмина, А. В. Славин), теории и методики обучения программированию в школе (А. Г. Гейн, А. Г. Кушниренко, И. Г. Семакин, Р. Р. Сулейманов, Н. Д. Угринович, К. Ю. Поляков,) использования семиотического подхода в образовании (А. А. Веряев, А. Б. Соломоник), применение семиотического подхода в обучении информатике (К. И. Баумане, Н. А. Курганова, Э. В. Миндзаева, Н. И. Рыжова, В. И. Фомин).
Решение поставленных задач и проверка гипотезы осуществлялась с использованием следующих методов исследования:
-теоретические (изучение и анализ философской, научно-методической, психолого-педагогической и технической литературы по проблеме исследования; анализ ФГОС основной школы, учебных пособий и методических материалов; обобщение и систематизация научных положений по теме исследования; теоретическое проектирование и моделирование);
- эмпирические (методы педагогических измерений и диагностики, педагогическое наблюдение, анкетирование, метод экспертных оценок, методы математической статистики).
Организация исследования. Исследование производилось с 2009-2014 гг. на базе МБОУ Лицей №39, МБОУ СОШ №138, ДОД МОУ «Городской дворец творчества юных» и включало несколько этапов.
Первый этап (2009-2010 гг.) был связан с выбором и теоретическим осмыслением проблемы и темы исследования, определением ее методологических основ. На данном этапе был проведен анализ психолого-педагогической, научно-методической, научно-технической литературы и нормативно-правовой документации по теме исследования, обоснована целесообразность построения методики обучения программированию учащихся 7-9 классов на основе семиотического подхода, доказана необходимость коррекции методики обучения программированию с учетом целесообразности развития знаково-символических действий учащихся.
Второй этап (2011-2012 гг.) был посвящен выявлению и анализу подходов к разработке методики обучения программированию учащихся 7-9 классов, доказана целесообразность организации процесса обучения программированию на основе семиотического подхода. Были обоснованы и сформулированы принципы проектирования методики обучения программированию учащихся 7-9 классов на основе семиотического подхода, разработаны и апробированы на практике ее отдельные компоненты.
На третьем этапе (2013-2014 гг.) на базе МБОУ Лицей №39, МБОУ СОШ №138 и ДОД МОУ «Городской дворец творчества юных» г. Нижний Тагил была апробирована разработанная методика обучения программированию на основе семиотического подхода. В ходе исследования производились необходимые наблюдения и педагогические измерения, обработка и анализ результатов, необходимая коррекция учебных материалов и методов обучения. В конце данного этапа был проведен педагогический эксперимент с целью проверки эффективности применения разработанной методики.
Научная новизна исследования заключается в следующем.
-
В отличие от работ Н. А. Кургановой, Э. В. Миндзаевой, в которых семиотический подход рассматривается как средство развития метапредметных знаний и умений учащихся 5-6 классов, в настоящем исследовании семиотический подход используется для повышения эффективности обучения программированию учащихся 7-9 классов в условиях появления новых технических средств в школе, в частности, аппаратно-программных средств робототехники.
-
Построена модель обучения программированию учащихся основной школы, в основу которой положены принципы семиотики и особенности программирования как предметной области, предложен путь решения проблем обучения программированию на основе семиотического подхода.
-
Разработана методика обучения программированию учащихся 7-9 классов на основе семиотического подхода с использованием средств робототехники, предусматривающая реализацию полного цикла решения учебных задач по программированию: постановку задачи по программированию, знакомство с исполнителем, составление схемы решения задачи, написание программы, компиляцию программы, эмпирическое наблюдение за исполнителем, верификацию.
Теоретическая значимость исследования:
-
на основе принципов семиотики сформулированы дидактические принципы обучения программированию – принцип контекстуального понимания знака, принцип учета ведущего канала восприятия, принцип возрастания степени абстрактности, принцип полифункциональности знака, принцип триединства представлений;
-
в качестве основного требования к организации процесса обучения программированию учащихся 7-9 классов на основе семиотического подхода выделено требование поликонтекстности – необходимости рассмотрения основных терминов программирования в разных смысловых ситуациях и в разных предметных областях, что позволяет учащимся правильно использовать термины в речи, устанавливать межпредметные связи в полученных знаниях;
-
определены критерии оценки уровня владения программированием, включающие уровни сформированности учебной мотивации, знаково-символи-ческих действий, предметных знаний и умений.
Практическая значимость заключается в том, что теоретические результаты, полученные в ходе диссертационного исследования, доведены до уровня практического применения, разработаны и внедрены в учебный процесс:
-
учебно-методический комплекс «Семиотический подход в обучении программированию» для учеников 7-9 классов, содержащий учебную программу, конспекты уроков, тематику и описание практических работ, список рекомендуемой литературы;
-
система комплексных заданий по программированию и робототехнике для индивидуальной и групповой работы;
-
методические рекомендации для учителей общеобразовательных школ по организации предлагаемой методики обучения программированию на основе семиотического подхода.
Достоверность результатов, полученных в исследовании, и обоснованность сформулированных выводов обеспечиваются теоретико-методологическими основами исследования, обобщением педагогического опыта учителей информатики, внутренней непротиворечивостью логики исследования, использованием теоретических и экспериментальных методов исследования, соответствующих поставленным целям и задачам, применением статистических методов обработки экспериментальных данных и согласованностью полученных результатов.
Апробация и внедрение результатов исследования осуществлялись в 7-9 классах МБОУ Лицей №39, МБОУ СОШ №138 и в процессе кружковой работы на базе ДОД МОУ городской дворец творчества юных г. Нижний Тагил в период с 2009 по 2014 г. Апробация осуществлялась на международных научно-практических конференциях («Актуальные проблемы современной психологии и педагогики», Челябинск, 2010; «Современные проблемы образования», Пенза, 2011; «Современные проблемы теории и методики обучения физике, информатике и математике», Екатеринбург, 2009, 2011, 2012; «Проблемы и перспективы развития образования в России», Новосибирск, 2011; «Инновационные технологии в образовательном процессе высшей школы», Екатеринбург, 2012; «Образование XXI века. Формирование метапредметных результатов образования», Екатеринбург, 2012; «Подготовка молодежи к инновационной деятельности в процессе обучения физике, математике, информатике», Екатеринбург, 2013, 2014), Всероссийских научно-практических конференциях («Актуальные вопросы использования инновационных технологий в образовательном процессе», Нижний Тагил, 2010, 2011, 2012, 2014; «Педагогика взаимодействий: концепции, подходы, технологии», Екатеринбург, 2011, 2012; «Актуальные проблемы прикладной информатики и методики обучения», Екатеринбург, 2011).
Основные положения исследования отражены в 15 публикациях, в том числе 4 – в журналах, рекомендованных ВАК МОиН РФ.
На защиту выносятся следующие положения.
-
Обучение программированию должно осуществляться на основе модели, в которую входят блоки: диагностический (определение уровня планируемых результатов обучения), методологический (определение основных идей и принципов семиотического подхода к обучению программированию), целевой (формулировка целей и задач обучения программированию с учетом принципов семиотического подхода), содержательно-деятельностный (определение требований к организации учебного процесса на основе принципов семиотики и особенностей программирования как предметной области) и контрольно-оценочный (осуществление оценивания результатов обучения учащихся в соответствии с выделенными уровнями владения программированием).
-
Реализация семиотического подхода средствами робототехники позволяет повысить мотивацию учащихся к выполнению знаково-символической деятельности и организовать полный цикл решения учебных задач по программированию, включающий в себя постановку задачи по программированию, знакомство с исполнителем, составление схемы решения задачи, написание программы, компиляцию программы, эмпирическое наблюдение за исполнителем, верификацию.
3. Методика обучения программированию учащихся 7-9 классов, созданная
на основе семиотического подхода, будет эффективна, если будут выполнены
следующие требования:
основные понятия программирования необходимо рассматривать в различных контекстах;
необходимо учитывать зависимость знака от объективно существующей действительности (денотата) и субъективных представлений учащихся (концепта);
изучение материала должно быть ориентировано на индивидуальные особенности восприятия информации;
при изучении алгоритмических конструкций следует выделять репрезентативную, экспрессивную и прагматическую функции знака;
необходимо включить в процесс решения задач по программированию работу с реальным исполнителем, позволяющим демонстрировать учащимся результаты их знаково-символической деятельности.
4. Эффективность методики обучения программированию, созданной на ос
нове семиотического подхода, может быть оценена по уровням сформированно-
сти учебной мотивации, знаково-символических действий, предметных знаний и
умений учащихся.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, библиографического списка и приложений.
Организационно-педагогические условия повышения эффективности обучения программированию учащихся 7-9 классов
Выявленные противоречия обусловливают актуальность исследования и определяют его проблему: как организовать учебный процесс по информатике в современных условиях для повышения эффективности обучения программированию?
Объективная необходимость обозначенной проблемы, недостаточная теоретическая и практическая ее разработанность определили тему исследования: «Обучение школьников программированию на основе семиотического подхода». Объект исследования: процесс обучения информатике в основной школе. Предмет исследования: обучение программированию учащихся 7-9 классов. Цель исследования: теоретическое обоснование и разработка методики обучения программированию в курсе информатики в 7-9 классах на основе семиотического подхода.
В соответствии с проблемой, объектом, предметом и целью исследования была выдвинута следующая гипотеза: повышение эффективности обучения программированию учащихся 7-9 классов может быть обеспечено, если: - в основу разработки методики обучения программированию будет положен семиотический подход, сущность которого заключается в целенаправленном развитии у школьников знаково-символических действий (замещения, кодирования, схематизации, моделирования); - построить курс обучения программированию на основе использования средств робототехники, что позволит повысить уровень учебной мотивации, предметных знаний и умений обучающихся.
Под эффективностью обучения программированию в исследовании будем понимать достижение обучающимися планируемых целей: сформированности учебной мотивации, знаково-символических действий, предметных знаний обучающихся при рациональном использовании материальных ресурсов, времени и усилий субъектов образовательного процесса.
Исходя из цели и гипотезы, были сформулированы следующие задачи исследования:
1. Провести анализ научной, учебно-методической, психолого-педагогической и нормативной литературы с целью выявления современного состояния проблемы обучения программированию в школе.
2. Обосновать эффективность применения семиотического подхода для разработки методики обучения информатике и сформулировать принципы его использования при обучении программированию.
3. Разработать модель обучения программированию на основе принципов семиотического подхода.
4. На основе созданной модели разработать методику обучения программированию с использованием комплексных задач и заданий на развитие знаково-символических действий, осуществляемых в процессе конструирования и программирования роботов.
5. Обосновать комплекс критериев эффективности применения семиотического подхода при обучении программированию и экспериментально проверить эффективность разработанной методики обучения программированию учащихся 7-9 классов.
Теоретико-методологическую основу исследований составляют работы в области методологии и организации педагогического исследования (В. И. Загвязинский, В. С. Леднев), формирования содержания образования (А. Г. Асмолов, В. В. Краевский), проблем развития учебных действий учащихся (А. В. Усова), общей теории знаков и знаковых систем (Ч. Морис, Ч. С. Пирс, Ф. де Соссюр, Ю. С. Степанов, Г. Фреге), роли знаково-символической деятельности в процессе познания (Н. Г. Салмина, А. В. Славин), теории и методики обучения программированию в школе (А. Г. Гейн, А. Г. Кушниренко, И. Г. Семакин, Р. Р. Сулейманов, Н. Д. Угринович, К. Ю. Поляков,) использования семиотического подхода в образовании (А. А. Веряев, А. Б. Соломоник), применение семиотического подхода в обучении информатике (К. И. Баумане, Н. А. Курганова, Э. В. Миндзаева, Н. И. Рыжова, В. И. Фомин).
Решение поставленных задач и проверка гипотезы осуществлялась с использованием следующих методов исследования: -теоретические (изучение и анализ философской, научно-методической, психолого-педагогической и технической литературы по проблеме исследования; анализ ФГОС основной школы, учебных пособий и методических материалов; обобщение и систематизация научных положений по теме исследования; теоретическое проектирование и моделирование); - эмпирические (методы педагогических измерений и диагностики, педагогическое наблюдение, анкетирование, метод экспертных оценок, методы математической статистики). Организация исследования. Исследование производилось с 2009-2014 гг. на базе МБОУ Лицей №39, МБОУ СОШ №138, ДОД МОУ «Городской дворец творчества юных» и включало несколько этапов.
Первый этап (2009-2010 гг.) был связан с выбором и теоретическим осмыслением проблемы и темы исследования, определением ее методологических основ. На данном этапе был проведен анализ психолого-педагогической, научно-методической, научно-технической литературы и нормативно-правовой документации по теме исследования, обоснована целесообразность построения методики обучения программированию учащихся 7-9 классов на основе семиотического подхода, доказана необходимость коррекции методики обучения программированию с учетом целесообразности развития знаково-символических действий учащихся.
Семиотический подход к обучению программированию
Необходимость работы учащихся с различными знаковыми системами в процессе программирования обусловливают его вторую особенность: мультимодальность учебной информации, предоставляемой ученикам.
Мультимодальность означает, что в учебном процессе учащиеся имеют дело с разными представлениями информации: текст, графики, формулы, знаки программирования и др. При этом, учащиеся с различным восприятием информации по-разному работают со знаково-символическими системами. Следовательно, необходимо учитывать особенности работы учащихся с разными типами знаковых систем при выборе методов и средств обучения программированию.
Третьей особенностью программирования как содержательной линии школьной информатики является абстрактность базовых понятий. Как справедливо отмечает С. А. Бешенков, одной из важнейших тенденций современной жизни является виртуализация пространства. В связи с этим современный человек практически полностью погружен в мир знаков и текстов, которые являются умозрительными конструкциями, имеющими очень слабые связи с реальностью. «В результате человек не знает и не понимает окружающего мира, прежде всего мира физической реальности» [5]. В настоящее время прикладное программное обеспечение позволяет проводить виртуальные физические эксперименты, моделировать поведение различных объектов и др. С одной стороны, это сокращает время учебной работы и подготовки к уроку, не требует дополнительного оборудования (нередко дорого). С другой стороны, отсутствие шумов, неполнота и неточность виртуальных моделей нередко ведет к излишнему упрощению представления учащихся о структуре и содержании того или иного понятия. Это определяет необходимость изучения на уроках программирования не только виртуальных, но и материальных объектов.
Кроме обозначенных объективных проблем обучения программированию, вытекающих из его особенностей, существуют и организационно-методические проблемы. Например, как справедливо отмечает И. Г. Семакин, в содержании ФГОС и примерной образовательной программе по информатике практически не находят отражения современные, перспективные направления информатики, особенно в области программирования [125]. Так, несмотря на наличие исследований в области методики преподавания информатики в основной школе, которые предполагают знакомство учеников с актуальными и востребованными на рынке труда направлениями программирования (Т. Н. Лебедева, А. И. Газейкина и др.), данный раздел рассматривается исключительно в процедурной парадигме. Большинство же современных специалистов в области школьной информатики (И. Г. Семакин,
Н. Д. Угринович, Д. Г. Копосов и др.) считают, что, принимая во внимание современное развитие информатики как науки, а также неплохой уровень компьютеризации и информатизации школ, в доступной форме в содержании предмета можно отразить такие современные темы как искусственный интеллект, параллельные вычисления, робототехника и др.
Из вышесказанного можно выделить организационно-педагогические условия повышения эффективности обучения программированию, способствующие разрешению выделенных проблем и учитывающие особенности программирования: - рассматривать основные понятия программирования в контекстах различных предметных областей, выделять общие и отличительные признаки понятий, что способствует осознанному использованию терминов в речи; - реализовывать метапредметные и межпредметные связи программирования с другими областями знаний и разделами информатики на целевом, содержательном и деятельностном уровне учебного процесса; - формировать у учащихся умение переходить от знаковой системы, в которой они умеют работать, к новой знаковой системе, учитывая имеющийся опыт знаково-символической деятельности учащихся; - учитывать особенности работы учащихся с различными типами знаковых систем при выборе методов и средств обучения программированию; - строить логику изложения учебного материала таким образом, чтобы понятия с меньшей степенью абстрактности или понятия, начальное представление о которых уже сформировано у учащихся в на других школьных предметах, изучались в первую очередь. - в доступной форме отражать в содержании предмета современные направления программирования.
Обобщая вышеизложенное, можно сделать вывод, что реализация перечисленных организационно-педагогических условий обеспечивает повышение эффективности обучения программированию учащихся 7-9 классов. При этом остается актуальным вопрос о выборе оптимального методического подхода, позволяющего реализовать эти условия в учебном процессе и учитывающего специфику работы учащихся со знаково-символическими средствами языка программирования.
Анализ методических подходов к обучению программированию В дидактике термин «подход» определяется как совокупность принципов, определяющих стратегию обучения, при этом каждый принцип регулирует разрешение конкретных противоречий, возникающих в процессе обучения, а их взаимодействие – разрешение основных его противоречий (И. Ф. Исаев, В. А. Сластенин, Е. Н. Шиянов). Таким образом, исходным содержанием понятия «подход» является определенная идея, концепция, совокупность принципов, обусловливающих организацию того или иного явления, процесса, например, процесса обучения программированию.
В настоящее время существует ряд российских и западных исследований, посвященных разработке методических подходов к обучению программированию, среди которых можно выделить: системный подход (И. О. Одинцов и др.), деятельностный подход (Е. А. Ракитина и др.), когнитивный подход (J. Reinfelds и др.), проблемный подход (Е. В. Касьянова, К. Ю. Поляков и др.), семиотический подход (P. Andersen, К. И. Баумане, Н. И. Рыжова и др.).
Проведем сравнительный анализ обозначенных методических подходов, уделяя особое внимание системному и деятельностному подходу в связи с тем, что согласно ФГОС, они являются основополагающими в основной школе.
Робототехника как средство реализации семиотического подхода к обучению программированию
I-Robot Create – это учебный робот, созданный на основе популярного робота-пылесоса, разработанный и продаваемый компанией iRobot. Встроенный ультразвуковой сенсор и дифференцированный привод робота позволяют изучить основные приемы работы с робототехническими устройствами. Устройство представляет собой диск 34 см в диаметре и до 9 см в высоту. Большой контактный сенсор установлен в передней части устройства, с инфракрасным датчиком по центру в верхней передней части. В зависимости от модели, робот поставляется с одним или двумя инфракрасными датчиками «Виртуальная стена», а некоторые модели и с «Виртуальными стенами -маяками».
Кроме робототехнических наборов, в настоящее время актуально использование симуляционных сред управления движением робота. Наиболее популярной средой управления роботами, поддерживающей симуляцию, является Microsoft Robotics Developer Studio (MRDS) [15].
Платформа MRDS включает в себя язык визуального программирования Visual Programming Language (VPL) и имитационную визуальную 3D-среду. Язык визуального программирования Visual Programming Language (VPL) предлагается в качестве средства описания алгоритмов поведения роботов для начинающих программистов (в том числе данный язык программирования может изучаться учащимся), язык C# – для профессиональных. Написание программы на VPL заключается в выборе подходящих компонентов для решения поставленной задачи и устанавливания связи между ними.
Среда Microsoft Development Robotics Studio может быть с успехом использована в образовательных целях. К ее достоинствам можно отнести: - бесплатную лицензию для учебных заведений; - достаточно легкий старт для начала использования; - наличие учебно-методических материалов для организации обучения и проведения учебных исследований; - сценический подход к моделированию окружающего мира, позволяющий создавать и размещать их в определенных местах виртуальной среды (сцены); - развитые средства графики, позволяющие точно моделировать визуальную составляющую окружающего мира; - возможность учета законов физики при построении модели. Отметим некоторые дидактические особенности использования сред управления роботами и робототехнических наборов в учебном процессе: - среды управления роботами (Microsoft Robotics Studio, Arduino, Parallax Boe-Bot, Lego NXC-G) поддерживают популярные языки программирования (С#, Visual Basic), которые имеют практическую значимость для будущей профессиональной деятельности; - роботехнические конструкторы дают возможность учащимся манипулировать не только виртуальными, но и реальными объектами. Это имеет немаловажное значение для успешного освоения учебного материала учащимися с разными ведущими каналами восприятия. Обработка информации с помощью датчиков и настройка датчиков дают школьникам представление о различных вариантах понимания и восприятия мира живыми системами; - виртуальные среды (например, Visual Simulation Environment) позволяют не только управлять запрограммированными роботами, но и непосредственно создавать окружающие предметы. Таким образом, если в классе учащиеся имеют разные интересы и увлечения (компьютерная графика, дизайн, программирование), можно объединять их в группы и разделять обязанности: кто-то программирует робота, кто-то создает окружающую среду. Коллективная работа позволяет учащимся получать навыки сотрудничества при разработке проекта, что особенно актуально в настоящее время. Заметим, что перечисленные дидактические особенности курса согласуются с положенным в основу образовательных стандартов второго поколения системно-деятельностным подходом, предполагающим переход: - от изолированного от жизни изучения системы научных понятий, составляющих содержание учебного предмета, к включению содержания обучения в контекст решения учащимися жизненных задач; - от индивидуальной формы усвоения знаний к признанию решающей роли учебного сотрудничества в достижении целей обучения.
Таким образом, введение элементов робототехники при изучении программирования позволит заинтересовать учащихся, разнообразить учебную деятельность, использовать групповые активные методы обучения. Следует отметить, что совместное изучение программирования и робототехники за рубежом приобретает все большую популярность и дает положительные результаты, о чем свидетельствует ряд исследований [173, 174, 175].
Использование на уроках программирования робототехнических наборов позволяет значительно расширить и углубить знания учащихся в предметной области, поскольку для эффективной работы по управлению роботами школьникам необходимы межпредметные знания (физика, математика, информатика, технология), а также высокий уровень знаково-символических действий для работы со схемами сборки роботов, программными средами управления, программирования.
По мнению многих учителей, руководителей технических кружков, [67, 53] робототехника в школе позволяет развивать навыки учащихся в таких направлениях как мехатроника, искусственный интеллект, программирование и других. Использование средств робототехники в обучении позволит существенно повысить уровень знаний и умений по математике, физике, информатике и др. Анализ методической литературы и нормативных документов [78, 66, 120] позволил сделать вывод, что в настоящее время реализуются три организационные формы обучения робототехнике: – работа с ограниченной группой обучающихся, имеющих способности и проявляющих интерес к робототехнике в рамках кружков, творческих объединений. Как отмечает Д. Г. Копосов, существенным недостатком при этом является то, что основная масса учащихся не получает качественного и современного образования в области робототехники и, как следствие, возникает нехватка квалифицированных специалистов в данной области [67]. – изучение робототехники в рамках элективного курса. С примерами программ элективных курсов по робототехнике можно ознакомиться в работах учителей информатики Д. Г. Копосова и П. А. Игнатьева [67, 53]. Основная проблема, связанная с данной формой организации, заключается в недостаточной осведомленности учащихся о направлении «Робототехника» и, как следствие, возникающей сложностью с осознанным выбором данного курса. С данной точки зрения, оптимальным является сочетание элективных курсов с внедрением элементов робототехники в содержание обязательных школьных предметов, прежде всего информатики, физики, технологии. Пример встраивания образовательной робототехники в преподавание обозначенных предметов предложен Министерством образования и науки Челябинской области [120]. Особенность предлагаемого подхода изучения робототехники параллельно с разделом информатики «Алгоритмы и элементы программирования» в том, что он может быть реализован в рамках существующих учебных планов. Далее, после знакомства с основами робототехники, школьники могут выбрать элективный курс по данному направлению для более глубокого изучения.
Включение элементов робототехники в обучение программированию способствует повышению уровня мотивации учащихся к предмету, более глубокому пониманию принципов действия алгоритмических конструкций.
Изучение элементов робототехники является интересным для учащихся с точки зрения новизны, актуальности содержания, способствует развитию алгоритмического мышления, умению применять свои навыки для решения проблем реального мира.
Значимость робототехники подчеркивается тем, что в 2008 году по инициативе Федерального агентства по делам молодежи Российской Федерации было начато осуществление Общероссийской образовательной программы «Робототехника: инженерно-технические кадры инновационной России» [124]. Целью программы является выявление, отбор и дальнейшее сопровождение талантливых молодых специалистов для инновационных отраслей народного хозяйства.
Применение семиотического подхода и средств робототехники в обучении программированию дает возможность решить проблему повышения мотивации школьников и облегчить усвоение учебного материала, связанного с работой учащихся со знаково-символическими системами.
Методика проведения и анализ результатов констатирующего и поискового этапов педагогического эксперимента
Представленные этапы решения задач по программированию позволяют повысить эффективность его обучения за счет соблюдения требований к организации учебного процесса, выделенные в 2.1.
уровня сформированности учебной мотивации, знаково-символических действий, предметных знаний и умений учащихся по программировани ю Уровень владения учащимися программированием оценивается по трем критериям: учебная мотивация, знаково-символические действия, предметные знания и умения учащихся. Контрольно-оценочный компонент методики подробно раскрывается в 2.4.
Система оценивания является одной из составляющих образовательного процесса. Она является основным средством диагностики проблем обучения и осуществления обратной связи, а также учитывает принципы, которые положены в основу проектирования обучения в целом.
Тенденции развития современного образования, направленность на личность обучаемого постепенно меняют систему оценивания учебных достижений учащихся: акцент с количественных показателей, которые, в общем, выражаются успеваемостью учащихся, смещается в сторону качественных показателей. Новые ФГОС среднего общего образования ставят задачу комплексного оценивания предметных, личностных и метапредметных результатов обучения учащихся. Таким образом, принятый новый государственный образовательный стандарт и сопровождающие его регламенты и методические разработки предлагают внедрить в школьную практику систему оценивания, основанную на следующих положениях [115]: 1. Оценивание является постоянным процессом, естественным образом интегрированным в образовательную практику. 2. Оценивание может быть только критериальным. Основными критериями оценивания выступают ожидаемые результаты, соответствующие учебным целям. 3. Критерии оценивания и алгоритм выставления отметки заранее известны и педагогам, и учащимся. Они могут вырабатываться ими совместно.
В данном исследовании для оценивания эффективности методики обучения программированию определялись результаты обучения и динамика их качественного изменения в условиях заданного базисным учебным планом времени на изучение раздела «Алгоритмы и элементы программирования» курса информатики и повышения учебной мотивации, что приводит к снижению усилий, затрачиваемых учащимися на освоение учебного материала.
Важнейшим основанием для построения системы оценивания является принцип критериальной ясности, который предполагает четкое определение содержания и предмета оценивания.
Учебная мотивация оценивается средствами разработанных психологами методик (Т. Д. Дубовицкая и др.), как правило, в форме анкетирования или опросников. Конкретизируя роль мотивации в успешном изучении программирования, следует отметить, что в подростковом возрасте (основная школа) интерес проявляется применительно к узкому кругу предметов (В. С. Мухина и др.). В зависимости от того, входит ли информатика в круг приоритетных предметов обучающегося, в начале обучения в одном классе мы имеем учеников с разной направленностью мотивации.
Низкий Преобладают мотивы избегания неприятностей, наказания. Объяснение своих неудач внешними причинами. Неудовлетворенность собой и учителем, неуверенность в себе. Обучающиеся с низким уровнем мотивации к изучению программирования относятся к предмету отрицательно или безразлично, посещают уроки неохотно. На уроке часто занимаются посторонними делами, отвлекаются, нарушают дисциплину, и, как следствие, фрагментарно усваивают учебный материал.
Средний Положительное, но ситуативное отношение к учению. Широкий познавательный мотив в виде интереса к результату учения и к отметке учителя. При средних показателях учебной мотивации ребенок положительно относится к предмету; понимает учебный материал; усваивает основное в программе; самостоятельно решает типовые задачи; внимателен при выполнении заданий, поручений, указаний, но требует контроля.
Высокий Характер активности обучающегося на уроках программирования направлен не только на результат, но и на процесс, способы учебной деятельности. Преобладает мотивация достижения – стремление к успеху в соревновании, конкуренции, с ориентацией на стандарт высокого качества исполнения. Обучающиеся имеют положительное отношение к школе, есть познавательный мотив, стремление наиболее успешно выполнять все предъявляемые школой требования. Как правило, эти ребята легко усваивают учебный материал; полно овладевают программой, прилежны; внимательно слушают указания учителя; выполняют поручения без внешнего контроля; проявляют интерес к самостоятельной работе, всем предметам.
Следует отметить, что оценивание предметных знаний и умений учащихся по программированию хорошо разработано в методике и является привычным для учителей информатики. К методам оценивания знаний относят тестирование, выполнение контрольных работ. Тест – это набор стандартизованных заданий по определенному материалу, устанавливающий степень усвоения его учащимися [113].
В школьной практике чаще всего используют тесты, в которых задание требует ответа на вопрос. При этом ответ можно представлять в одних случаях заполнением промежутка в тексте (например, объект или лицо, выполняющий инструкции, предписания алгоритма называется...), в других случаях нужен выбор одного из предложенных ответов (для повторения действия определенное количество раз используется конструкция: а) for; b)while; c) repeat). В современных тестах преобладают последние задания.
В дидактике существуют тесты типа свободного высказывания, например, «опишите основные особенности языка программирования NXC». Однако тесты со свободными ответами почти не поддаются стандартизованной процедуре оценки, есть опасность утратить надежность и объективность теста. Тесты различаются также по видам целей обучения. Первый тип тестов проверяет знания фактов, понятий, законов, теорий – всех сведений, которые требуется запомнить и воспроизвести. Здесь требуются репродуктивные ответы. Приведем фрагмент теста на знание фактического материала.
Четвертая категория целей выделяет задания, проверяющие умения решать новые конкретные ситуации на основе полученных сведений. Примером могут быть задания следующего типа: «В небоскребе N этажей и всего один подъезд; на каждом этаже по 3 квартиры; лифт может останавливаться только на нечетных этажах. Человек садится в лифт и набирает номер нужной ему квартиры М. На какой этаж должен доставить лифт пассажира?».
Имеются различные методики обработки результатов тестовых исследований. Наиболее распространенная заключается в том, что е разработчик присваивает каждому ответу определенный «вес», выраженный баллом, процентом. Различают также два подхода к анализу результатов тестов. В одних случаях результаты тестов сравниваются со средним результатом по какой-либо группе, который принимается за норму. Это так называемые тесты, ориентированные на норму. Второй подход определяет тесты, ориентированные на критерий. Он имеет большее распространение сегодня и состоит в том, что индивидуальные результаты тестирования сопоставляются с заранее определенными критериями. Большое значение в этом случае имеет разработка критериев, основанная на анализе учебного материала и определяющая, что собственно должны знать и уметь учащиеся к концу изучения курса программирования.
В своем исследовании для оценивания уровня сформированности предметных знаний и умений по программированию мы будем использовать закрытые тесты. Тестирование проводится в конце изучения каждой темы раздела «Алгоритмы и элементы программирования», в ходе его проверяется освоение учащимися необходимых знаний и умений, выделенных нами в табл. 12 2.3. Описание уровней сформированности предметных знаний и умений учащихся приведено в табл. 18.
