Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Научно-методические основы обучения систематизации и структурированию информации 13
1.1. Психолого-педагогические аспекты систематизации информации человеком в процессах мышления, познания, деятельности 13
1.2. Дидактические аспекты обучения систематизации и структурированию информации в курсе информатики 31
Выводы 50
Глава 2. Роль и место изучения вопросов систематизации и структурирования информации в современном курсе информатики... 52
2.1. Особенности изучения вопросов систематизации информации и структурирования данных в курсе информатики 52
2.2. Изучение основ ристематизации информации и их место в структуре курса информатики 82
2.3. Особенности работы с данными сложной структуры на примере изучения геоинформационных систем и технологий 99
Выводы.. 118
Глава 3. Внедрение результатов исследования в учебный процесс... 121
3.1. Элективный курс «Основы систематизации информации и структурирования данных» и анализ результатов его внедрения 121
3.2. Анализ результатов опытно-экспериментальной работы 158
Выводы 177
Заключение 179
Список используемых источников. 181
Приложения 197
- Психолого-педагогические аспекты систематизации информации человеком в процессах мышления, познания, деятельности
- Особенности изучения вопросов систематизации информации и структурирования данных в курсе информатики
- Элективный курс «Основы систематизации информации и структурирования данных» и анализ результатов его внедрения
Введение к работе
Актуальность исследования.
Отличительной особенностью курса информатики является его динамичность. Содержание, методы, формы и средства обучения приходится постоянно адаптировать к новым научным идеям и техническим разработкам, которые быстро и прочно входят в повседневную жизнь и профессиональную деятельность людей. В то же время активно проходит процесс фундаментализации информатики, выявления и уточнения того круга вопросов, которые составляют ее теоретический базис. В настоящее время существует реальная возможность приблизить построение курса информатики к дисциплинам естественно-научного цикла с их стройной логикой изложения. При этом, как подчеркивали многие исследователи (В.К.Белошапка, К.К.Колин и др.), в информатике сильно развит "метапредметный" аспект - повышенное внимание к разнообразным структурам представления информации. Заметим, что развитие именно структурного момента является одной из научных парадигм XX века (идеи Бурбаки в математике, структурализм в лингвистике и др.). Дисциплина информатика в значительной мере аккумулирует все эти идеи, однако, в существующих общеобразовательных курсах информатики вопросы, связанные с систематизацией и структурированием информации, а также организация больших массивов данных и выбор их оптимальной структуры при решении практических задач, представлены настолько разрозненно, что говорить о цельности восприятия и сформированности знаний, умений и навыков в этой области не представляется возможным. Одной из причин является несовершенство понятийного аппарата (многозначность терминов, нечеткие определения в толковых словарях, расхождения в определениях базовых понятий в учебниках). Другая причина - отсутствие целенаправленного внимания к вопросам систематизации информации и структурирования данных в существующих методиках преподавания.
4 Стоит отметить, что в данном направлении ведется активная исследовательская работа. Большое внимание вопросам совершенствования курса информатики и его фундаментализации уделяется в работах B.C. Леднева, А.А. Кузнецова, Т.А.Бороненко, С.А.Бешенкова, М.В. Швецкого, Т.Ю. Китаевской и др. Возможные пути совершенствования содержания курса информатики определены в трудах Е.К. Хеннера, СИ. Окулова, Т.Б. Захаровой, А.Л. Семенова, А.Я. Фридланда и др. Систематизация понятийного аппарата курса информатики проводится в работах Ф.С. Воройского, И.Г. Семакина, Т.А. Кувалдиной, СВ. Симоновича, Н.В. Матвеевой, А.Х. Шелепаевой и др. Необходимость расширения содержания курса информатики за счет включения в него рассмотрения перспективных направлений развития ИТ (в частности, ГИС) обоснована в трудах И.В. Пролеткина, А.В. Симонова и др. Однако потребность проведения исследований, связанных с целенаправленным формированием у обучаемых теоретических знаний и практического опыта систематизации информации и структурирования данных, остается крайне высокой.
Основными противоречиями, разрешение которых определяет актуальность такого рода исследований, являются противоречия между:
необходимостью целостного восприятия вопросов систематизации информации и структурирования данных и сложившейся практикой разрозненного изучения этих вопросов в современных курсах информатики;
целесообразностью точного и, по возможности, однозначного подхода к определению основных понятий учебного курса информатики и существованием в учебной и методической литературе различных трактовок многих основных понятий и терминов, относящихся к систематизации информации и структурированию данных;
практической необходимостью включения в учебный курс знакомства с перспективными разработками в области ИТ, связанными с обработкой больших объемов разнородных данных, и неразработанностью единой теоретической базы, на основе которой процесс обучения проходил
5 бы в оптимальном режиме;
- жесткими временными рамками, характерными для процесса
обучения информатике, и сложившейся практикой дублирования вопросов
структурирования данных в разных разделах курса, приводящей к
дополнительным затратам учебного времени.
В методическом аспекте недостаток существующих подходов проявляется в отсутствии стройной концепции целостного и взаимосвязанного изучения вопросов систематизации и структурирования информации в общеобразовательном курсе информатики, позволяющей обучаемым на единой теоретической базе применять методы и средства систематизации информации как при изучении стандартных, так и при освоении новых информационных технологий в условиях постоянного усложнения структур данных в информационных системах.
Разрешение названных выше противоречий составляет основную проблему нашего исследования.
Объектом исследования является обучение информатике и информационным технологиям в общеобразовательной школе.
Предмет исследования содержательные и методические аспекты обучения систематизации информации и структурированию данных в курсе информатики.
Цель исследования заключается в разработке, теоретическом обосновании и практической реализации содержания и методики обучения систематизации информации и структурированию данных в курсе информатики.
Гипотеза исследования заключается в том, что изучение вопросов, связанных с систематизацией информации и структурированием данных в общеобразовательном курсе информатики может быть более эффективным, если:
- в соответствие с принципом двойного вхождения (B.C. Леднев)
наряду с существующей содержательной линией, проходящей через все
Психолого-педагогические аспекты систематизации информации человеком в процессах мышления, познания, деятельности
С самых первых своих дней и до глубокой старости человек живет в мире информации, являясь практически одновременно ее создателем, потребителем, носителем, преобразователем и передатчиком. Трудно себе представить, где и как можно было бы обойтись без информации и на какие стороны общественного бытия не оказывают влияния информационные процессы. Без информации невозможно никакое управление. Без информации нельзя лечить. Образование - это, по существу, передача и усвоение определенным образом структурированной информации. Без информации невозможен технический прогресс. Современный этап развития общества многие ученые называют информационным, и это не случайно. В научных публикациях приведено большое число аргументов в поддержку этой точки зрения и основные критерии, по которым современное общество можно считать информационным [32, 58, 61,124,150,163].
Практически во всех работах, посвященных этому вопросу, отмечается, что одними из важнейших критериев являются:
- резкое возрастание количества информации, которую человек получает и перерабатывает в обыденной жизни и профессиональной деятельности;
- «усложнение» информации, как с точки зрения разнородности данных (по виду, по форме представления, по способу организации), так и со стороны их смысловой насыщенности;
- значительное ускорение развития и использования информационных и коммуникационных технологий.
Поэтому вопросам обучения работы с информацией уделяется много внимания в педагогической литературе последних лет.
Все учебные курсы так или иначе предоставляют обучаемым опыт работы с информацией, знакомят со специфическими методами её поиска, анализа, формализации, систематизации, запоминания, применения и т.п. Но курс информатики, и дисциплины информационного цикла в целом, стоят особняком в этом ряду, поскольку методы работы с информацией для них не столько методические приёмы и средства, сколько важная составная часть содержания обучения. То есть методы и модели работы с информацией и способы реализации информационных процессов представляют для информатики особый интерес.
Имеет смысл более подробно рассмотреть психологические основы систематизации и структурирования информации человеком. С одной стороны, в кибернетике обосновано, что информационные процессы протекают по единым законам в природе, обществе, технических системах и, отчасти, в интеллектуальной деятельности человека. С другой - в процессе обучения мы имеем дело с передачей и восприятием информации человеком, и важно понимать, каким образом она усваивается обучаемыми.
Есть и еще один важный аспект: при разработке автоматизированных информационных систем (начиная от информационно-поисковых систем, кончая системами робототехники) процессы восприятия, кодирования, передачи и хранения информации играют важную роль. Разработка пользовательского интерфейса, организация средств управления данными и многие другие вопросы, изучаемые в информатике, так или иначе «подстраиваются» под особенности мышления и восприятия человека. В содержании курса информатики важно раскрыть эти вопросы. Причем важно показать как сходство, так и различия в протекании информационных процессов (в частности, систематизации и структурировании данных) у человека и в компьютерных системах. Но для этого нужно знать, как, с точки зрения современной психологии, эти процессы протекают у человека, какими психологическими моделями пользуются разработчики современных интеллектуальных автоматизированных систем и программных средств.
С точки зрения темы нашего исследования целесообразно рассмотреть психолого-педагогические основы структурирования информации человеком с нескольких сторон:
во-первых, проанализировать модели восприятия, памяти, мышления, человека, разрабатываемые в психологии с целью определить, какие модели и методы систематизации и структурирования информации исследованы в психологии и в каком аспекте;
во-вторых, определить степень важности умения систематизировать и структурировать информацию для обучаемых с различным ментальным опытом в процессе обучения;
в-третьих, найти общие черты и отличия систематизации и структурирования информации, протекающих в человеческом сознании, с тем, как это может быть организовано в формальных технических системах (в частности, в компьютерных технологиях).
Любой процесс обучения - это обращение к мышлению человека, способности воспринимать, передавать, обрабатывать информацию. В психологии разработаны различные теории и модели, объясняющие процессы мышления, памяти, ассоциативного восприятия, механизмов адаптации, переработки информации человеком. Эти модели должны использоваться в дидактике, а потому рассмотрим некоторые из них (касающиеся темы нашего исследования) более подробно.
Сначала остановимся на психологических теориях мышления. В анализе использовались работы [19, 23, 24, 57, 78, 88, 91, 100, 101, 121, 122, 128, 140, 160].
Для каждого человека процесс мышления является естественным и существующим вне зависимости от его осознания. Но для специалистов, занимающихся изучением проблем соответствия закономерностей процессов мышления методам обучения, с целью получения эффективного результата (эффективность заключается в максимально высоком уровне усвоения изучаемого материала), данный вопрос является основополагающим.
В плане психологии человека, мышление является высшим познавательным процессом. Оно представляет собой порождение нового знания, активную форму творческого отражения и преобразования человеком действительности. Мышление порождает такой результат, какого ни в самой действительности, ни у субъекта на данный момент времени не существует. Мышление также понимают как получение новых знаний, творческое преобразование имеющихся представлений.
Отличительная особенность мышления в том, что оно почти всегда связано с наличием проблемной ситуации, задачи, которую нужно решить, и активным изменением условий, в которых эта задача задана. А любая задача связана для человека с восприятием, анализом, преобразованием информации. В отличие от восприятия мышление выходит за пределы чувственно данного, расширяет границы познания. «В мышлении на основе сенсорной информации делаются определенные теоретические и практические выводы. Оно отражает бытие не только в виде отдельных вещей, явлений и их свойств, но и определяет связи, существующие между ними, которые чаще всего непосредственно, в самом восприятии человеку не даны. Свойства вещей и явлений, связи между ними отражаются в мышлении в обобщенной форме, в виде законов, абстрактных систем, сущностей». [100].
Применительно к нашей теме, данные положения можно конкретизировать следующим образом - в процессе мышления человек воспринимает окружающий мир в виде структур (объектов и связей между ними).
По утверждению психологов, на практике мышление как отдельный психический процесс не существует, оно незримо присутствует во всех других познавательных процессах.
Важной составляющей мышления является память.
Память — это сложный мыслительный процесс, включающий в себя запись, хранение и извлечение информации [78; с. 19].
В качестве базовых положений по данному вопросу в рамках нашего исследования мы выбрали позиции психологов, изложенные в [101,140].
С точки зрения нашего исследования необходимо обратить внимание на то, что память - есть важнейшая, определяющая характеристика психической жизни личности. Роль памяти не может быть сведена к запечатлению того, что «было в прошлом». Никакое актуальное действие немыслимо вне процессов памяти, ибо протекание любого, пусть даже самого элементарного, психического акта обязательно предполагает удержание каждого его элемента для «сцепления» с последующим. Без способности к такому «сцеплению» невозможно развитие: человек оставался бы «вечно в положении новорожденного» (И.М. Сеченов). В этой связи можно сказать, что память позволяет человеку структурно воссоздать логическую цепочку отражения целостной картины окружающей действительности.
В памяти различают следующие основные процессы: запоминание, сохранение, воспроизведение и забывание. Указанные процессы не являются автономными психическими способностями. Они формируются в деятельности и определяются ею [101].
С точки зрения восприятия информации в процессе обучения процесс запоминания имеет существенное значение.
Запоминание — это процесс запечатления и последующего сохранения воспринятой информации. По степени активности протекания этого процесса принято выделять два вида запоминания: непреднамеренное (или непроизвольное) и преднамеренное (или произвольное) [92].
Непреднамеренное запоминание — это запоминание без заранее поставленной цели, без использования каких-либо приемов и проявления волевых усилий со стороны человека. Это простое запечатление того, что воздействовало на человека и сохранило некоторый след от возбуждения в коре головного мозга. В принципе, каждый процесс, происходящий в коре мозга вследствие воздействия внешнего раздражителя, оставляет после себя следы, хотя степень их прочности бывает различна. Лучше всего запоминается то, что имеет жизненно важное значение для человека. Поэтому даже непроизвольное запоминание носит избирательный характер и определяется отношением человека к окружающему.
Особенности изучения вопросов систематизации информации и структурирования данных в курсе информатики
Изучение информатики и информационных технологий во многом связано с вопросами систематизированного представления информации. Эти вопросы изучаются сегодня разрозненно - для каждого типа задач и каждого вида программных сред изучаются те способы систематизации и те структуры данных, которые свойственны конкретному программному средству и/или конкретной информационной технологии. В результате получается, что некоторые частные вопросы нередко дублируются в разных разделах курса, а общие закономерности структурирования данных выпадают из поля внимания.
Это - естественные проблемы быстро развивающейся области знаний. Информатика в процессе своего развития «вбирает» в себя многие достижения не только смежных наук (теория связи, computer science и т.п.), но и весьма далёких, на первый взгляд, областей деятельности (психология, семиотика, логика). Интеграция идей и методов не только обогащают теорию информатики, но и приводит к тому, что её тезаурус пополняется терминами данных наук. Причём, нередко содержание понятий, стоящих за этими терминами, претерпевает изменение при «переносе» в среду информатики. Кроме того, вклад в развитие информатики вносят ученые и специалисты многих стран, говорящих на разных языках. Книги по информатике переводятся многократно. Это приводит к тому, что один и тот же термин может использоваться в разных смыслах. Наиболее яркими примерами многозначных в информатике терминов могут служить: информация, интерфейс, сервер, формат, технология и другие.
Трудности овладения понятийным аппаратом информатики в процессе обучения обуславливаются еще и тем, что центральные понятия курса -информация, модель, алгоритм, данные, структура - являются общенаучными категориями, а потому плохо поддаются точному определению.
Во многом многозначие и неопределенность терминов имеет "историческую" причину. Изначально основным направлением развития ИТ являлось автоматизация операционных рутинных действий человека. Акцент делался прежде всего на сортировочную работу с данными. Не случайно, запрос «структуры данных» к Интернет приводит к получению ссылок в основном на программирование и, реже, на базы данных. Сегодня внимание стало уделяться созданию информационных технологий, направленных на решение стратегических задач обработки информации. «Переход» от структур данных к структурам информации носит совсем не терминологический характер. Структурирование информации - это и ее организация, упорядочивание, классификация, типологизация, эргономичность представления и т.п., без чего сегодня не мыслятся ни взаимодействие в Сети, ни использование геоинформационных систем, ни развитие идеологии систем искусственного интеллекта.
Еще одна проблема обучения информатике связана с тем, что информационные технологии до какого-то времени разрабатывались параллельно, независимо друг от друга, и в каждой из них принята своя терминология. Для профессионалов это, возможно, и не представляет сложности, но для обучаемых подчас крайне трудно разобраться в том, что такое типы данных, форматы данных, структуры данных, структура документа (текста, таблицы, сайта) и т.п.
Многозначность понятий и использование одного и того же термина для обозначения значительно отличающихся друг от друга объектов, возможно, не сильно мешает специалистам обмениваться идеями, но играет отрицательную роль в обучении. Когда один и тот же объект в разных книгах называют по-разному, это может приводить к путанице и, в конечном счете, к непониманию или снижению уровня усвоения материала. Достаточно ёмко эту мысль выразил А.А. Красилов [66], рассуждая об актуальных проблемах информатики: «Многообразие определений понятий - это замечательное свойство для их познания, но логическая непротиворечивость множества определений понятий остаётся проблемой». Причем из множества рассматриваемых проблем данную он поставил на первое место.
Сравним следующие пары понятий: «тип информации» - «тип данных»; «структура информации» - «структура данных»; «форма представления информации» - «форма представления данных»; «организация информации» - «организация данных».
Интуитивно понятно, в каких случаях на практике следует употреблять тот или иной термин, но очень трудно сформулировать это понимание в форме явного определения: что есть что. А для обучения, базирующегося на принципе системности, «интуитивной» ясности недостаточно.
На наш взгляд, имеет смысл проанализировать сложившуюся в информатике практику употребления терминов, относящихся к систематизации информации и структурированию данных, рассмотреть содержание этих терминов, и на основании анализа выработать предложения о целесообразности использования каждого из них в учебном курсе информатики, как на уровне общеобразовательной школы, так и на уровне вузовского обучения.
Понятия «систематизация», «структурирование», «организация», «упорядочивание», «классификация», «типологизация» достаточно близки по смыслу, но каждое из них имеет свою специфику употребления.
Проанализируем определения данных терминов, данные в толковых словарях [95, 102, 137]. В обобщенном виде они таковы.
Понятие «систематизация информации» является, на наш взгляд, наиболее широким. Сюда подходят все действия, которые, так или иначе, «приводят информацию в порядок». Под «порядком» понимаем здесь то, что информационные единицы представлены (хранятся, передаются, обрабатываются) не хаотично, а подчиняются какой-то логике, какому-то правилу размещения, когда можно проследить взаимосвязи между данными.
Систематизированная информация значительно лучше воспринимается и запоминается человеком. Найти нужные сведения в систематизированном хранилище проще. Обрабатывать систематизированные данные легче. Поэтому при решении практически любой задачи (житейской, учебной, научной) не обойтись без систематизации информации. В зависимости от решаемой задачи систематизация информации может сводиться к ее анализу, структурированию, упорядочиванию, формализации, классификации, кластеризации, типологизации или к комбинации этих процедур. Не случайно, что определения в разных словарях отмечают некоторую «универсальность» использования данного понятия. Под системой понимается:
- нечто целое, представляющее собой единство закономерно расположенных и находящихся во взаимной связи частей чего-либо;
- множество закономерно связанных друг с другом элементов, представляющее собой целостное образование, единство;
- порядок в расположении и связи частей чего-либо, строгая последовательность действий;
- форма, способ устройства, организации чего-либо.
С точки зрения курса информатики важно, что любой изучаемый или создаваемый объект можно (и нужно) рассматривать как систему. В таких важных для курса информатики терминах, как «операционная система», «файловая система», «система меню программы», «система программирования» и т.п., подчеркивается системный характер основных изучаемых в информатике объектов.
Элективный курс «Основы систематизации информации и структурирования данных» и анализ результатов его внедрения
Элективный курс «Основы систематизации информации и структурирования данных» был разработан для старшеклассников, выбравших физико-математический и информационно-технологический профили обучения. Курс рассчитан на 36 аудиторных часов.
Он может реализовываться как в безмашинном варианте (при условии, что сам курс информатики проводится в компьютерном зале), так и в расчете на выполнение практических работ на компьютере.
Основная цель курса: дополнить и систематизировать знания учащихся, касающиеся вопросов систематизации информации и структур данных, полученные на уроках информатики и других учебных предметов.
Задачи курса 1. Раскрыть назначение и роль систематизации информации в познании, общении и практической деятельности человека.
2. Познакомить учащихся с понятиями организации информации (данных), систематизации информации (данных), структурирования информации (данных).
3. Конкретизировать соотношение понятий «система» - «структура системы» применительно к передаваемой, хранимой и обрабатываемой информации (данным) и информационным ресурсам автоматизированных информационных систем.
4. Дать представление о существующих способах систематизации информации (организация, классификация, типологизация, структурирование, упорядочивание, форматирование и т.п.) и особенностях их применения при решении конкретных практических задач в информатике.
5. Закрепить полученные в курсе информатики знания об основных структурах данных (реляционной, иерархической, сетевой) и дать опыт организации данных в соответствии с этими структурами.
6. Обеспечить приобретение опыта организации информационных ресурсов сложной структуры (гипертекстов, сайтов, баз данных, простейших цифровых карт).
7. Приобрести опыт анализа организации информационных ресурсов (сайтов, электронных справочников, поисковых систем) на соответствие их структуры задачам, которые решаются с их помощью.
Программа курса (содержание обучения)
Тема 1. Введение в системный подход в познании и мышлении (2 часа). Понятие системы в современной науке. Свойства и характеристики системы (целостность и делимость; наличие устойчивых связей; организация (структура); целенаправленность функционирования; эмерджентность (интегративные качества); вложенность, иерархичность; сложность). Роль системного подхода в современной науке. Систематизация знаний. Системность как особенность мышления человека (особенности восприятия, запоминания, вспоминания, анализа и обработки информации).
Понятие как форма мышления; содержание и объем понятия. Тема 2. Основы информационного обмена (3 часа). Информация и знания. Информация и данные.
Информационный обмен: сообщения, сведения, данные. Проблемы представления (кодирования, оформления) данных, сообщений для их передачи и хранения.
Способы кодирования и форматирования сообщений, данных. Виды информации. Виды данных. Тип данных и формат данных. Тема 3. Основные способы систематизации информации (4 часа). Логическая операция деления объема понятия. Основания деления -критерии отбора (обособления и обобщения объектов, описываемых понятиями).
Систематизация однородной информации. Упорядочивание. Сортировка. Классификация. Кластеризация.
Организация разнородной информации. Структурирование. Типологизация. Организация электронных словарей, справочников, энциклопедий. Тема 4. Информационные ресурсы и способы их систематизации (8 часов) Факты и базы данных. Документы и информационно-справочные системы. Файлы и программные среды. Системы меню и интерфейсы программных сред. Сведения и сайты. Цифровые карты и геоинформационные системы. Базы знаний и системы искусственного интеллекта.
Тема 5. Организация информации в компьютерных коммуникациях. (7 часов)
Текстовые и мультимедийные документы. Структура документа. Гипертекст. Закладки и гиперссылки. Сайт. Адресация в сети, URL.
Поиск информации в сети. Поисковые машины. Основные методы поиска, отбора, систематизации ресурсов.
Тема 6. Структуры данных и базовые операции над данными при решении расчетных и оптимизационных задач (12 часов).
124 Простые и составные структуры. Базовые (стандартные) структуры. Реляционная, сетевая, иерархическая структура (модель) организации (представления) данных. Статические и динамические структуры данных. Линейные и нелинейные структуры данных.
Строки, векторы, массивы, записи, множества. Особенности выполнения операций поиска, добавления, удаления, упорядочивания данных в них. Очереди, стеки, списки. Операции над ними. Деревья, графы. Операции над ними. Особенности машинного представления данных различной структуры.
