Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Теоретические вопросы изучения курса «Основы объектно-ориентированного программирования и технологии визуального проектирования»
1.1. Основные элементы объектно-ориентированного программирования 12
1.2. Психолого-педагогический анализ проблемы развития мышления учащихся при обучении объектно-ориентированному программированию 23
1.3. Анализ методик обучения школьников объектно-ориентированному программированию и пути их совершенствования 59
Выводы по главе 1 68
Глава 2. Построение методической системы обучения основам объектно-ориентированного и технологии визуального проектирования в школьном курсе информатики
2.1. Проектирование методической системы обучения основам объектно-ориентированного программирования 70
2.2. Роль решения задач при обучении объектно-ориентированному программированию и технологии визуального проектирования 93
2.3. Методика обучения учащихся основам объектно-ориентированного программирования 97
Выводы по главе 2 107
Глава 3. Методика проведения и обработка результатов педагогического эксперимента
3.1. Разработка критериев объективной оценки знаний и умений учащихся с использованием методов математической статистики 110
3.2. Педагогический эксперимент 119
Выводы по главе 3 135
Заключение 137
Литература 138
Приложения 154
- Основные элементы объектно-ориентированного программирования
- Проектирование методической системы обучения основам объектно-ориентированного программирования
- Разработка критериев объективной оценки знаний и умений учащихся с использованием методов математической статистики
Введение к работе
Актуальность исследования. Вопросы преподавания программирования в средней школе находятся в центре внимания с начала 60-х годов. В исследованиях, проведенных И. Н. Антиповым, Г. А. Звенигородским, В. Н. Касаткиным, М. П. Лапчиком, А. С. Лесневским, В. М. Монаховым, С. И. Шварцбур-дом, М.В. Швецким и др. были рассмотрены вопросы структуры, содержания обучения программированию, выбора учебного языка и др. Технология программирования претерпевает изменения. Современное состояние информатики характеризуется повсеместным переходом к новой объектно-ориентированной парадигме программирования.
Отсюда актуальным становится соблюдение дидактического принципа научности, требующего соответствия содержания обучения уровню современной науки, и формирование у школьников представлений о частных и общенаучных методах познания.
Анализ учебных программ базового курса информатики средней школы позволяет сделать вывод о том, что объектно-ориентированное программирование (ООП) в этом курсе не нашло должного отражения. Обучение ООП в учебных программах представлено фрагментарно, а в рекомендованных для школ учебных пособиях полностью отсутствует. Следует отметить, что на современном этапе развития школьной информатики статус объектно-ориентированного программирования в базовом курсе до сих пор не определен, хотя в проекте Государственного образовательного стандарта сформулирован его обязательный минимум.
Эти обстоятельства значительно уменьшают уровень научности курса информатики, соответствие его содержания жизни и ее проблемам, ослабляют процесс развития мышления школьников в процессе обучения.
Вышесказанное определяет наличие трех основных противоречии:
между высокими темпами развития науки информатики и относительно медленными темпами создания и внедрения методик обучения, в частности объектно-ориентированному программированию;
между наличием в содержании нормативных образовательных документов серьезных вопросов, связанных с ООП, и отсутствием адекватной методической системы обучения;
между потенциальными возможностями развития мыслительной деятельности учащихся в процессе обучения объектно-ориентированному программированию и недостатком методик для реализации этого процесса.
Разрешению указанных противоречий будет способствовать разработка методики, создание комплекса учебно-методических материалов и описание технологии объективного оценивания результатов обучения.
Это обусловливает актуальность нашего исследования, направленного на разработку методики, обеспечивающей усвоение школьниками в базовом курсе информатики теоретических основ объектно-ориентированного программирования (понятий, принципов, методов) и их практической реализации с использованием технологии визуального проектирования.
Таким образом, актуальность исследования определяется современными тенденциями развития информатики как науки, в частности, переходом к программированию на основе объектно-ориентированной методологии.
Цель диссертационного исследования состоит в разработке и научном обосновании методической системы обучения учащихся объектно-ориентированному программированию и технологии визуального проектирования в базовом курсе информатики.
Объектом исследования является процесс обучения учащихся информатике в общеобразовательной школе.
Предметом исследования служит эффективность обучения программированию в базовом курсе информатики.
Гипотеза исследования. Методика обучения объектно-
ориентированному программированию и технологии визуального проектирования, основанная на применении демонстрационных примеров и объективного оценивания результатов обучения в базовом курсе информатики, позволит повысить:
- уровень усвоения основ объектно-ориентированного программирова
ния;
- эффективность развития мыслительной деятельности школьников.
Критерии эффективности предлагаемой методики:
. уровень усвоения основ объектно-ориентированного программирования определялся путем комплексного анализа знаний и умений учащихся при решении задач с использованием предложенных критериев {времени, затраченного на решение, и суммарной сложности задачи);
. степень развития мышления учащихся определялась по методу, предложенному О. М. Дудка.
Для достижения цели исследования и проверки гипотезы решались следующие задачи.
Проведение анализа состояния проблемы обучения ООП в школе и обоснование целесообразности изучения школьниками основ объектно-ориентированного программирования с использованием визуального проектирования в базовом курсе информатики.
Определение основных принципов построения методической системы обучения учащихся объектно-ориентированному программированию и технологии визуального проектирования.
Изучение преимущества метода демонстрационных примеров при изучении раздела «Основы ООП и технологии визуального проектирования» и возможности его применения для успешного усвоения учебного материала.
Разработка необходимого учебно-методического материала, включающего программу, примерное содержание, поурочное планирование и методические рекомендации для реализации разработанной методики.
Разработка критериев и технологии объективного оценивания знаний и умений учащихся при решении задач по программированию.
Экспериментальная проверка результативности предложенной методики обучения.
При разработке методики мы опирались на работы:
по теории содержания образования и процесса обучения (В.П. Беспалько, В. И. Гинецинского, В. В. Давыдова и др.);
по теории и практике школьного образования по информатике (А. П. Ершова, Г. А. Звенигородского, А. А. Кузнецова, Д. Ш. Матроса и
др-);
по теоретической информатике (Г. Буча, Т. Бадда, Э. Р. Телло и др.);
по педагогической психологии (П. Я. Гальперина, Б. Шнейдермана и др.);
по методике обучения информатике (А. С. Лесневского, В. М. Швецкого,
В. В. Лаптева и др.).
Методы исследования:
изучение и анализ философской, научно-методической, психолого-педагогической и специальной литературы по проблематике исследования;
анализ программ, учебных пособий и методических материалов по школьной информатике; анализ передового педагогического опыта преподавания информатики;
наблюдение за деятельностью учащихся в процессе изучения основ объектно-ориентированного программирования и технологии визуального проектирования, анализ результатов этой деятельности;
анкетирование, беседы с учителями и учащимися;
проведение опытно-экспериментальной работы, статистическая обработка результатов эксперимента и их анализ.
Научная новизна выполненной работы состоит в том, что создана методическая система обучения объектно-ориентированному программированию и визуальному проектированию в базовом курсе информатики в целях повышения уровня усвоения основ ООП и развития мыслительных способностей учащихся, основанная на использовании метода демонстрационных примеров и объективного оценивания результатов обучения.
Теоретическая значимость работы заключается в том, что:
определены цели обучения школьников объектно-ориентированному программированию и технологии визуального проектирования в соответствии с таксономией Б. Блума;
разработана концепция учебной программы раздела «Основы ООП и технологии визуального проектирования», основанная на системе принципов построения программы, предложенной В. И. Гинецинским;
предложен комплексный подход к обучению информатике, основанный на использовании технологии визуального проектирования, применении демонстрационных примеров, направленный на развитие мышления учащихся и обеспечивающий высокий уровень усвоения учащимися основ ООП;
разработана методика объективной оценки знаний и умений учащихся по программированию.
Практическая значимость исследования состоит:
. в разработке методики обучения школьников ООП и визуальному проектированию для базового курса информатики;
. в разработке учебной программы курса, дидактического материала для учащихся, методических рекомендаций для учителей по обучению основам объектно-ориентированного программирования.
Достоверность результатов исследования обеспечивается научной обоснованностью исходных теоретических положений, внутренней непротиворечивостью логики исследования, адекватностью применяемых методов целям и задачам исследования, использованием математических методов обработки результатов педагогического эксперимента.
Диссертационное исследование проводилось в 1997 — 2002 гг.
Основные этапы работы:
На констатирующем этапе эксперимента основной целью являлось установление состояния изучаемой педагогической системы. Эксперимент был направлен на решение следующих задач: анализ состояния, потребностей и перспектив массовой практики, ориентированной на подготовку учащихся школ по вопросам объектно-ориентированного программирования; выявление проблем преподавания объектно-ориентированного программирования и технологии визуального проектирования, а также причин, обусловивших их появление; выявление уровня развития мышления учащихся школ.
На поисковом этапе были определены теоретические основы построения методики обучения учащихся объектно-ориентированному программированию и технологии визуального проектирования в рамках базового курса информатики. В соответствии с этими положениями разработаны цели, задачи и программа обучения, тематическое планирование и примерное содержание раздела.
На формирующем этапе проводился эксперимент, в ходе которого определялась эффективность разработанной методики обучения ООП и технологии визуального проектирования, основанной на использовании метода демонстрационных примеров и объективной оценке знаний учащихся. Контрольный эксперимент проходил в общеобразовательных школах г. Н. Тагила.
Апробация и внедрение результатов исследования осуществлялись в школах г. Н. Тагила (1997 - 2002 гг.). Основные положения диссертации обсуждались на Международной электронной научной конференции «НИТ в обра-
зовании» (Воронеж, 2001 г.), Региональной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука. Техника. Инновации» (Новосибирск,
г.), II Межрегиональной научной конференций «Проблемы современного математического образования в педвузах и школах России» (Киров, 2001 г.), Российской научно-практической Internet-конференции «Менеджмент, маркетинг, информатизация образования: теория и практика» (Оренбург, 2001 г.), «Инновации в содержании и технологии обучения математике, физике, информатике» (Н.Тагил, 2001 г.), «НИТ в университетском образовании» (Кемерово,
г.); итоговых научных конференциях преподавателей кафедры информатики в Нижнетагильском государственном педагогическом институте (1998 -2001 гг.), на заседаниях методического объединения учителей г. Н. Тагила и района (2001 г.).
На основе материалов диссертационного исследования опубликовано учебно-методическое пособие «Основы объектно-ориентированного и технологии визуального программирования», адресованное учащимся школ, учителям и студентам, начинающим изучение ООП и технологии визуального проектирования. Пособие содержит теоретический материал по темам и развернутые решения основных задач, показывает возможность реализации ООП на базе языка программирования Turbo Pascal и с использованием среды визуального проектирования программ Delphi. После каждой темы приводится список контрольных вопросов по теме, заданий и задач для самостоятельного выполнения.
Положения, выносимые на защиту.
Обучение учащихся объектно-ориентированному программированию и технологии визуального проектирования обеспечивает в значительной мере повышение уровня информационной культуры школьников.
Предложенный нами методический подход к обучению объектно-ориентированному программированию в базовом курсе информатики, осно-ванный на применении метода демонстрационных примеров и использовании
среды визуального проектирования позволяет в значительной мере развивать мышление школьников.
3. Реализация метода демонстрационных примеров в процессе обучения основам ООП и технологии визуального проектирования позволяет обеспечить высокий уровень усвоения учебного материала.
Основные элементы объектно-ориентированного программирования
Как известно, «исходная концептуальная схема, модель постановки проблем и их решения, методы исследования, господствующие в течение определенного исторического периода в научном обществе», называется парадигмой [Словарь, 1995]. Характерные идеи и методы программирования, и соответствующий образ мышления образуют так называемую парадигму программирования. Между парадигмами и языками программирования высокого уровня существует прямая связь. Для ответа на вопрос, какие основные идеи современного состояния программирования должны быть отражены в базовом курсе информатики, обратимся к истории программирования.
Анализ истории программирования показывает, что главным фактором его развития являлась необходимость преодоления трудностей, возникавших на пути создания сложных программных продуктов. Каждый этап развития определен своими принципами декомпозиции, абстрагирования и иерархии.
Рассмотрим этапы развития программирования: операциональный, структурный и объектно-ориентированный.
Первый этап — операциональный (1954 — 1965 г.). На данном витке были созданы языки программирования: FORTRAN I и II, ALGOL 58, 60, COBOL, LISP и др. Базовыми идеями программирования являлись подпрограмма, типы данных и их описание, раздельная компиляция, блочная структура, обработка списков, указатели и т. д. Программа «собиралась» из мелких деталей, отдельных операций и имела достаточно простую структуру: область глобальных данных и подпрограммы. Уровень абстрагирования - отдельное действие.
Второй этап - структурный (1966 - 1985 г.). Здесь под термином «структурный» мы понимаем нисходящее проектирование и модульное программирование.
Суть нисходящего конструирования программ состоит в разбивке большой задачи на меньшие подзадачи, которые могут рассматриваться отдельно.
Структурное программирование. Структурное программирование - это некоторый набор принципов написания программ. Для реализации принципов структурного программирования требуется использование трех основных его составляющих: следования, ветвления и повторения.
Характерными чертами структурного стиля программирования являются:
простота и ясность (программа легко читается и анализируется, существует возможность включать в текст программ необходимые комментарии);
использование только базовых конструкций;
отсутствие многоцелевых блоков;
отсутствие неоправданно сложных арифметических и логических конструкций;
размещение в строке программы не более одного оператора языка программирования;
содержательность имен переменных.
При этом процесс нисходящей разработки программы может продолжаться до тех пор, пока не будет достигнут уровень «атомарных» блоков, т. е. базовых конструкций (присвоения, ifhen else, do-while).
В структурном программировании уточнен принцип декомпозиции задачи, точнее ее алгоритмический аспект, т. е. действия. Алгоритмическая декомпозиция понимается как разделение алгоритмов, причем каждый модуль выполняет один из этапов общего процесса. Одним из создателей структурного программирования был профессор Э. Дейкстра.
Проектирование методической системы обучения основам объектно-ориентированного программирования
Методологической основой для разработки теории выбора оптимальных педагогических средств является системный подход. Только в том случае, когда при принятии решения учитываются все закономерные связи между компонентами системы, можно ожидать, что будет избран оптимальный вариант. Системный подход обеспечивает в единстве повышение эффективности педагогического процесса, служит условием его оптимизации.
Следуя выбранному подходу, на начальном этапе педагогического исследования определяют обучаемых (косвенно этим определяются цели обучения), предмет обучения и идею, реализация которой в процессе обучения, как представляется, позволит "что-то" улучшить.
Следующим этапом является построение методической теории, которая является теоретической основой последующих практических реализаций. В качестве такой теории мы использовали определенную дидактическую систему, которую далее будем называть методической системой обучения. Методическая система обучения отражает целостную модель педагогической деятельности и играет роль методологии, позволяющей обосновать множество вариантов интерпретации предлагаемой теории.
Под методической системой обучения, на основе сопоставления и обобщения определений, сформулированных в работах [Пышкало, 1975; Монахова, 1985; Бабанского, 1988], мы понимаем совокупность пяти взаимосвязанных компонентов:
целевого;
содержательного;
операционно-деятельностного (методы, формы и средства обучения);
контрольно-регулировочного (одновременный контроль преподавателя за ходом решения поставленных задач обучения и самоконтроль обучаемых за правильностью выполнения учебных операций);
оценочно-результативного (оценка педагогами и самооценка обучаемыми достигнутых в процессе обучения результатов, установления соответствия их поставленным задачам обучения, выявление причин обнаруживаемых отклонений, постановка новых задач обучения).
Процесс конструирования методической системы обучения с использованием системного подхода предполагает создание регулируемой системы. Это требует от исследователя целостного представления о составных компонентах и рассмотрения их в закономерном взаимодействии. Взаимодействие компонентов методической системы обучения наглядно может быть представлено в виде следующей функциональной схемы (рис. 2.1).
Методическая система представляет собой сложное динамическое образование. Цель и задачи обучения определяют его содержание. Содержание обучения требует определенных методов и форм организации обучения. По ходу обучения необходим текущий и итоговый контроль, осуществляемый с помощью устных, письменных, лабораторно-практических работ, зачетов и экзаменов. Контроль обеспечивает функционирование обратной связи в учебном процессе - получение преподавателем информации о степени затруднений, о качестве поэтапного решения задач обучения. Обратная связь вызывает необ ходимость регулирования организации учебного процесса, внесения изменений в методы и формы обучения, приближения их к оптимальным для данной си туации. Оценка достигнутых результатов может выявить определенные откло нения от соответствия поставленным учебно-воспитательным задачам и потре бовать проектирования новых задач, учитывающих обнаруженные пробелы в 5 знаниях и умениях. Наконец, все компоненты методической системы в своей совокупности обеспечивают получение определенных результатов, анализ которых позволяет выявить и устранить причины обнаруживаемых отклонений путем постановки дополнительных задач обучения, учитывающих необходимость восполнения обнаруженных пробелов в знаниях и умениях.
Внутренние взаимосвязи методической системы обучения допускают достаточно широкие возможности выбора различных способов ее функционирования. Поэтому необходимы положения, определяющие направления совершенствования методической системы. Эти положения названы А. М. Пышкало [1975] принципами совершенствования методической системы обучения.
Разработка критериев объективной оценки знаний и умений учащихся с использованием методов математической статистики
Так как обучение относится к целенаправленным процессам, а оценивание и прогнозирование хода обучения базируется на оценках ее результатов в различные моменты времени, включая прошлые и будущие, то для решения данной задачи можно использовать методы и подходы, разрабатываемые и применяемые в квалиметрии и теории эффективности. Для этого необходимо ввести соответствующие показатели и критерии оценивания качества результатов и эффективности обучения. Формирование таких показателей и критериев производится на основе следующей системы понятий [Юсупов, 2000, с. 150-151].
Свойство - характерная черта, сторона объекта, которая внутренне присуща ему и обусловливает его различие или сходство с другими объектами.
Характеристика свойства - описание свойств объекта. Характеристика имеет наименование и значение. Наименование совпадает с названием свойства. Значение может быть задано как количественно, так и качественно. Поэтому различают количественные и качественные характеристики.
Количественные характеристики - описание свойств объекта с помощью некоторой переменной, значение которой характеризует уровень или интенсивность этого свойства. (Такую переменную обычно называют величина).
Качественные характеристики - описание свойств объекта без явного количественного оценивания интенсивности свойства.
Качественная всегда может быть преобразована в количественную характеристику путем введения соответствующей шкалы измерения интенсивности свойства и сопоставления качественной характеристики с этой шкалой.
Оценивание свойства — процесс определения значения характеристики.
Оценка - результат оценивания.
Основным средством обучения в рассматриваемом разделе является задача, поэтому наиболее логично организовать определение достигнутого уровня обучения с использованием задач. Не секрет, что оценка знаний и умений учащихся выставляется учителем субъективно и зависит от множества факторов, поэтому необходимо уйти от субъективизма и выработать критерии объективного оценивания.
Выделим две характеристики для оценки решения задачи: качественная и количественная.
Учащийся, реализуя решение задачи с использованием технологии визуального проектирования, во-первых, разрабатывает макет (интерфейс) проекта, во-вторых, пишет обработчик событий (ряд процедур реализующих последовательность выполнения тех или иных действий). При создании макета школьник выполняет некоторый конечный набор операций: выбор и размещение на форме нужного компонента (объекта), изменение его свойств (названия, цвета, размера, положения, шрифта и т. п.) и др. Следовательно, можно выделить типичные действия учащихся при создании интерфейса проекта и определить их временные характеристики. Время - это одна из первичных характеристик величины, которую можно измерить. Процедура - это последовательность операций необходимых для выполнения некоторого события. Для каждой процедуры можно определить сложность, и суммарную сложность задачи, как сумму сложностей отдельных процедур. Определим сложность алгоритма в исполняемых компьютером командах: количество арифметических операций, количество сравнений, вызовов стандартных процедур и функций, пересылки.
Остановимся подробнее на рассмотрении технологии определения и использования временной характеристики, сложности алгоритма решения задачи для оценки уровня знаний и умений учащихся.
