Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Проблемы и перспективы дифференциации содержания обучения информатике 7
1.1. Становление и современные тенденции развития школьной информатики 7
1.2. Проблемы профильной дифференциации содержания обучения информатике 29
Выводы 42
Глава 2. Дидактические особенности преподавания профильных курсов в классах с углубленным изучением информатики 44
2.1. Система профильных курсов в классах с углубленным изучением информатики: основные подходы к отбору содержания 44
2.2. Формирование у учащихся старших классов навыков работы с системным и прикладным программным обеспечением в рамках изучения курса «Программное обеспечение ЭВМ» 57
2.3. Курс «Языки и методы программирования» как ключевой фактор методической системы обучения информатике в специализированных классах 71
Выводы 90
Глава 3. Результаты апробации курсов «Языки и методы программирования», «Программное обеспечение ЭВМ» в классах с углублен ным изучением информатики 92
3.1. Дидактические особенности процесса преподавания курса «Программное обеспечение ЭВМ» в специализированном классе 94
3.2. Некоторые методические аспекты процесса формирования навыков программирования у учащихся 11-х классов при изучении курса «Языки и методы программирования» 106
Выводы 138
Заключение 140
Список литературы 142
- Становление и современные тенденции развития школьной информатики
- Система профильных курсов в классах с углубленным изучением информатики: основные подходы к отбору содержания
- Дидактические особенности процесса преподавания курса «Программное обеспечение ЭВМ» в специализированном классе
Введение к работе
Актуальность. За последние годы общеобразовательный курс информатики подвергается существенным изменениям. Это связано с объективными тенденциями развития предметной области информатики, которые отражены, в частности, в Национальном докладе Российской Федерации "Политика в области образования и новые информационные технологии" на Конгрессе ЮНЕСКО по информатизации образования (Москва, 1996 г.) и в проекте Федерального компонента государственного образовательного стандарта для образовательной области "Информатика" (А.А.Кузнецов и др., 1996 г.).
Одним из существенных изменений содержания курса информатики является усиление в нем доли теоретического аспекта дисциплины информатики, посвященного понятиям "информации", "системы", "формализации и моделирования" и др. Обоснованию и развитию этого подхода посвящены работы: А.А.Кузнецова, В.К.Белошапки, С.А.Бешенкова, С.Г.Григорьева, Т.Б.Захаровой, А.СЛесневского, В.Ю.Лысковой, Н.В.Матвеевой, ЕА.Ракитиной и др.
Разработаные ими положения нашли отражения, в частности, в учебном пособии И.Г.Семакина и др., серии учебных пособий под редакцией Н.В.Макаровой и др.
Указанная тенденция ставит проблемы переосмысления ряд традиционых для курса информатики тем, в частности, темы "Языки программирования". При этом речь идет не простой замене БЕЙСИКА на, скажем, ТурбоПаскаль или C++, а принципиально новой общеобразовательной языка программирования как такового.
Как известно, первоначально язык программирования был введен в курс информатики как средство компьютерной реализации алгоритма (учебное пособие под ред. А.П.Ершова и В.М.Монахова, учебные пособия А.Г.Кушниренко и др.). Постепенное смещение акценков курса информатики с алгоритмизации и программирования сначала на информационые технологии (учебные пособия А.Г.Гейна, В.А.Каймина и др.), а потом и на мировоззренческий аспект информатики (учебное пособие С.А.Бешенкова, С.Г.Григорьева, А.Г.Гейна и др.) снизило актуальность введения в базовый курс информатики темы "Языки про-
граммирования'\ В то же время эта тема осталась актуальной в рамках профильного обучения информатики в старших классах общеобразовательных школ. Это подчеркнуто в исследованиях Т.Б.Захаровой, Т.А.Бороненко и др. Однако содержание этой темы должно быть согласовано с современным содержанием базового курса информатики, в которым акцент делается на изучение основ формализации и моделирования.
Проблема данного исследования вытекает из необходимости введения профильных курсов которые дают современную трактовку языкам программирования и программного обеспечения компьютера и отсутствием исследований в этом направлении.
Объект исследования - процесс обучения информатике в общеобразовательной школе.
Предмет исследования - содержание обучения информатике в общеобразовательной школе.
Цель исследования - разработать содержание профильных курсов информатики, связанных с языками программирования и программным обеспечением компьютера, на основе информационного моделирования.
Рабочая гипотеза исследования заключается в том, что рассмотрение языка программирования как информационной модели позволяет органически связать базовый и профильный концентры общеобразовательного курса информатики, дает единый подход к изучению всего многообразия современых языков программирования.
В соответствие с целью и рабочей гипотезой определены следующие задачи исследования:
Проанализировать современые тенденции развития современного курса информатики, его базового и профильного концентра.
Обосновать подходы к отбору содержания профильных курсов информатики, связанных с языками программирования, опирающиеся на идеи и методы информационого моделирования.
Разработать содержание и структуру профильных курсов "Языки и методы программирования", "Программное обеспечение компьютера", реализующие
сформулированые подходы.
4. Экспериментально проверить доступность разработанного содержания.
Научная новизна исследования заключается в определении подходов к определению содержания профильных курсов информатики, связанных с языками программирования, использующих основаные идеи и методы формализации и моделирования. Это позволит расширить соответствующую содержательную линию базового курса информатики, что будет способствовать более тесной взаимосязи базового и профильного концентров общеобразовательного курса информатики.
Становление и современные тенденции развития школьной информатики
По-видимому, историю развития школьной информатики в России следует писать, начиная с 1959/60 учебного года - с того момента, когда в средней школе №444 Первомайского района г. Москвы был создан экспериментальный класс для учеников, желающих приобрести квалификацию лаборантов-вычислителей. Его создание было обусловлено возникшей к концу 50-х годов потребностью в программистах со средним образованием, имеющих навыки работы с конкретной вычислительной машиной и знакомых с основами вычислительной математики (в те времена процесс программирования был весьма специфичен - кодирование алгоритма занимало львиную долю рабочего времени). В 1963 году СИ.Шварцбурд [257], обобщая накопленный опыт преподавания программирования, предлагает программу курса под названием "Математические машины", предусматривающую изучение ручного программирования на примере системы команд БЭСМ-2. Именно в рамках этого курса впервые появилось понятие "схема программы", графическое изображение которой явилось прообразом получивших дальнейшее развитие блок-схем как способов описания алгоритмов.
К середине 60-х годов процесс составления программ был в известной мере автоматизирован, появились языки процедурного программирования, вследствие чего потребность в программистах, занимающихся ручным, механическим кодированием снизилась. Произошла смена поколений ЭВМ, - второе поколение стало использовать трансляторы с алгоритмического языка Алгол-60, языка программирования Фортран и автокодов. Эти изменения нашли отражение в учебных программах того времени: в восьмом классе (в курсе математики) было выделено 16 часов для изучения тем "Алгоритмы" и "Общие сведения об ЭВМ"; в 9 классе - 16 часов для изучения элементов алгоритмического языка; в 10 классе - 8 часов на тему "Понятие о современном программировании".
Начиная с 1966 года, в учебные планы средних школ были включены факультативные занятия, что позволяло удовлетворять растущие интересы со стороны школьников при одновременном повышении эффективности учебного процесса (к числу факультативных курсов была отнесена и дисциплина "Программирование", обладающая определенными политехническими возможностями).
Именно в 60-е годы перед методистами встала задача разработки специального школьного предмета, общеобразовательная направленность которого сводилась бы к освещению в нем более глобальных тем, чем только кодирование программ. Такой дисциплиной стал курс "Основы кибернетики", разработанный В.С.Ледневым, А.А.Кузнецовым (1965-1974) и утвержденный Министерством просвещения СССР для 9-Ю классов. Он имел законченный вид, и хотя рассматривался как факультативный, проверку проходил как обязательный.
Факультативный курс "Основы кибернетики", предложенный В.С.Ледневым и АА.Кузнецовым, предусматривал:
раскрытие сущности информационного подхода к изучению явлений действительности;
выявления общих закономерностей информационных процессов;
изучение принципов строения и функционирования систем управления [148], [161], [162] и др.
Заметим, что названные цели не потеряли своей актуальности и сейчас.
Курс, состоявший из введения и трех следующих разделов: преобразование и преобразователи информации; цифровые вычислительные машины; программирование для ЭВМ, начинался с определения ключевого понятия "системы". Далее рассматривались основные свойства систем (на примере целесообразно действующих систем, в том числе биологических).
Понятие алгоритма как системы формальных правил, четко и однозначно определяющих элементарные операции и порядок их выполнения, вводилось в разделе "Преобразование и преобразователи информации", там же рассматривались свойства алгоритма (определенность, массовость, результативность), описывались различные исполнители алгоритмов со своими системами команд, вводились элементы математической логики.
С конечных автоматов начиналось изучение цифровых вычислительных машин, в ходе которого учащиеся знакомились и с некоторыми вопросами теории графов. В качестве универсального автомата выступала машина Э. Поста, для которой описывалась система команд, приводились примеры программ. Программирование для ЭВМ изучалось сначала для трехадресной машины, а затем на языке Алгол-60.
Иной подход просматривается в работах В.Н. Касаткина [114 - 117, 120 -125]. Так, в разработанном им курсе "Элементы теории алгоритмов и программирования для ЦВМ" большое внимание уделялось демонстрационному обеспечению, для чего были созданы "Полигон логических структур" и действующие модели машин Поста (для учащихся 7-8 классов) и Тьюринга (для учащихся 9-10 классов). Идею замены реальных ЭВМ специальными учебными В.Н.Касаткин распространил и в область изучения алгоритмических языков, предложив для изучения специальный "Условный Алгоритмический язык" (УАЯ), который содержал не только средства численной обработки, но и аналитической. Основу языка составили операторы языков программирования Алмира и Аналитика [164], а также набор операторов, сконструированных на основе анализа элементарных аналитических преобразований, используемых школьником при решении задач (сокращение дробей, приведение подобных членов, вынесения за скобки и др.).
В шестидесятых годах появились исследования В.М.Монахова, работавшего над созданием курса "Теория математических машин и основ программирования" для классов с углубленным изучением математики [181, 182, 186, 193]. Впоследствии в 1973 в число факультативных курсов была включена дисциплина "Программирование" [183, 184, 185], основной задачей которой стало формирование у учащихся навыков сведения решения задач к последовательности элементарных арифметических и логических действий и содержащая такие разделы:
а) арифметические основы ЭВМ;
б) сведения о выполнении арифметических операций в ЭВМ;
в) разветвляющиеся программы;
г) арифметические циклы;
д) программирование итерационных алгоритмов.
В рамках изучения названного предмета большое внимание уделялось оперированию с блок-схемами. Автором подчеркивалось, что оно "... содействует приобретению способности выявлять общие закономерности решения задач. Наглядность блок-схемы позволяет накопить навыки обобщенного подхода к решению типовых задач"[131].
Исследования В.М. Монахова [181 - 193] оказали значительное влияние на дальнейшее развитие содержания школьного общеобразовательного курса "Основы информатики и вычислительной техники", равно как и многочисленные работы И.Н. Антипова, посвященные проблеме преподавания алгоритмических языков в средней школе [6 - 9, 13, 14].
Накопленный к началу 70-х годов опыт преподавания основ программирования и ЭВМ в средней школе привел к пониманию необходимости формирования общей алгоритмической культуры учащегося и, в первую очередь, в школьном курсе математики. Исследованию общеобразовательной сущности программирования для ЭВМ и выявлению общих предпосылок для проведения сквозной алгоритмической линии в преподавании математики были посвящены работы М.П. Лапчика [155, 156, 157] и Л.П. Червочкиной [189, 249].
Система профильных курсов в классах с углубленным изучением информатики: основные подходы к отбору содержания
Определяя систему курсов, в рамках которых следует вести углубленное преподавание информатики в старших классах средней школы, изначально отметим, что анализ и формирование системы профильных курсов возможно только на основе того, что базовый курс информатики включен в программу среднего звена школы (7-9 классы), и к 10 классу - началу профильной специализации по информатике - определенный минимум знаний и умений у учащихся сформирован.
Выбор профильной специализации должен определяться:
социальным заказом общества школе на предпрофессиональную подготовку учащихся;
методологической ролью информатики в формировании у учащихся необходимых общекультурных и общеучебных навыков; учетом тенденций развития базовой науки информатики и возрастанием ее влияния на развитие современных науки, техники, технологий.
Как известно, основные направления информатики образуют такие дисциплины, как теория информации, кибернетика, теоретические основы вычислительной техники, теория вычислительного эксперимента, алгоритмика, программирование, теория искусственного интеллекта, информология [84]. Исходя из этого, необходимо признать, что предмет информатики существовал и развивался задолго до появления ЭВМ и самого названия "информатика" в недрах математики и кибернетики, логики и лингвистики, системотехники и электроники, а фундаментом информатики послужили: математическая теория вероятностей и математическая статистика; теория массового обслуживания; теория математических игр; теория линейного и динамического программирования; математическая логика; математическая теория надежности; математическая теория оптимизации; теория самообучения; теория множеств и функциональный анализ; топология и теория групп; теорий графов и сетей; абстрактная алгебра; семиотика; системотехника и ряд других наук.
Непрекращающаяся дискуссия в научных и методических кругах о содержании науки под названием "информатика" - в сущности лишь спор о приоритете тех или иных научных направлений. Результаты этого спора, будучи спроецированы на школьную информатику, порождают разногласия относительно содержания школьной информатики. Именно поэтому вопрос о предмете научной дисциплины "информатика", носящий теоретический характер, сегодня представляет и чисто практический интерес.
Достаточно известно следующее определения информатики как науки:
"Информатика - это фундаментальная наука, предметом которой являются процессы передачи, обработки и хранения информации с помощью вычислительных систем, для формализованного описания которых используются алгоритмы и структуры данных" [8]. Но с середины семидесятых годов, когда И.Н.Антиповым было сформулировано это определение, круг вопросов, рассматриваемых информатикой, значительно расширился. В частности, значительное место в ней занимают сейчас вопросы, связанные с информационным моделированием и формализованным представлением знаний, составляющим основу всех информационных процессов.
Методические разработки по курсу информатики, опубликованные в журнале "Информатика и образование", приложении к газете "Первое сентября" -"Информатика", в педагогической специальной литературе [57, 86, 87, 90, 125, 230 и др.], а также те, с которыми мы познакомились на открытых уроках ведущих преподавателей г.Самары и г. Новокуйбышевска, очень разнородны. Различны, часто противоположны подходы к отдельным темам курса. Особенно это касается таких важных, на наш взгляд, разделов, как алгоритмизация и программирование, знакомство с системным программным обеспечением, использование прикладного ПО и некоторых других. Это, в частности, является отражением того факта, что еще не выработан единый методический подход не только к преподаванию курса, но и к его содержанию, наполнению. Хотя общепризнанной целью курса информатики в школе и вузе является формирование информационной культуры, но понимание ее очень многообразно, а реализация этой цели чрезмерно зависит от типа учебного заведения, типа вычислительной техники и ее объема, количества учебных часов, отводимых под эту дисциплину, класса или курса, на котором она включена в учебную программу, опыта и мировоззрения преподавателя и прочее. Эта зависимость от внешних причин наполнения курса содержанием велика как ни в одном другом учебном предмете, но это -закономерный этап становления новой учебной дисциплины.
Анкетирование преподавателей (текст анкеты приведен в приложении I) информатики выявило следующую картину.
Оценивая, какие темы наиболее важны в информатике, преподаватели почти единодушно (82,5%) выделили использование прикладных программ (хотя отводят на них в среднем 26,7% учебного времени), на второе место (56,5%) поставили знакомство с устройствами ЭВМ и принципами их работы (8,6% учебного времени), третье место (46,2%) - операционные системы и операционные оболочки. Программирование как наиболее важная тема отмечено менее трети респондентами (30,3%), хотя в учебных планах под ее изучение отводиться значительная часть времени.
Дидактические особенности процесса преподавания курса «Программное обеспечение ЭВМ» в специализированном классе
Рассмотрим некоторые методические аспекты проведения занятий по курсу "Программное обеспечение ЭВМ".
Курс рассчитан на учащихся 10 класса, имеющих базовую подготовку по информатике, полученную в среднем звене школы (7-9 классы или 8-9 классы). Поскольку курс разрабатывался для профильных классов, то учебная нагрузка составляет 3 часа в неделю. Кабинет информатики оснащен компьютерами IBM 386.
В своей практике преподавания курса, проанализировав требования проекта Государственного стандарта, социальный заказ на подготовку выпускников школ, сложившийся в регионе, различные учебные планы и программы по информатике, мы стремимся использовать такую педагогическую технологию, которая способствует формированию готовности учащихся к жизни в современном информационном обществе и будущей профессиональной деятельности. В частности, это нашло свое отражение в том, что основу преподавания курса составляет задачный подход.
Как показал проделанный нами анализ, в основе традиционной методики преподавания аналогичных курсов, нашедшей отражение в учебных и методических пособиях, лежит передача фактического материала. Учащимся сообщаются определенные сведения, на базе которых они должны уметь выполнять некоторые заранее определенные действия. Например, выполнить определенные операции над файлом в Norton Commander. Как правило, лишь обзорно сообщаются сведения о теснейшей взаимосвязи развития аппаратного обеспечения компьютера с совершенствованием пользовательского интерфейса, а программного обеспечения с дальнейшей разработкой математических методов и методов теории информации. В результате каждое программное средство воспринимается учащимися не в системе, а изолированно, и основные правила и приемы работы в одной среде не переносятся (дополняясь и модифицируясь) на работу в других средах. Поэтому, после изучения, например, как сохраняется рисунок в графическом редакторе, этот же вопрос повторно рассматривается и при сохранении документов в текстовом редакторе и электронных таблицах.
Существует и еще одно, достаточно важное, на наш взгляд, противоречие. С одной стороны, чтобы учащиеся могли использовать любое программное средство, необходимо выработать у них определенный комплекс умений и навыков. Выработка любого навыка требует определенного количества учебного времени. С другой стороны, темпы развития современного ПО и используемого в них пользовательского интерфейса в настоящее время очень велики (причем изменения носят не локальный, а глобальный характер), и нередко навыки работы в одном редакторе "мешают" осваивать более современный редактор того же типа (иная раскладка клавиатуры, иные типы меню и "горячие клавиши" и т.д.).
Суммируя, можно сказать, что при традиционных методиках обучения передаются фактические знания, а эффективное применение современных программных средств требует понимания общих принципов их работы и "индивидуальных особенностей", зависящих от типа обрабатываемой данным средством информации. Общие же принципы работы базируются на "истории развития" аппаратного, программного и алгоритмического обеспечения в их совокупности и взаимосвязи.
Одним из возможных способов разрешения данного противоречия может быть изучение программных средств в сравнении. (К.Д.Ушинский считал, что в дидактике сравнение должно быть основным приемом, называл его основой всякого мышления) На занятиях мы стараемся дать учащимся возможность познакомиться как минимум с двумя различными программными средами, предназначенными для обработки информации одного типа, но разной степени сложности и структурированности. Этим достигаются следующие цели:
- учащиеся наглядно представляют, как, в каком направлении идет развитие программного обеспечения и пользовательского интерфейса;
- учащиеся имеют возможность самостоятельно или с помощью учителя определить преимущества и недостатки каждого из редакторов, а следовательно учатся выбирать программное средство в зависимости от характера решаемой задачи. Например, поработав в Лексиконе и в Works e, учащиеся 10-го класса самостоятельно выделяют в качестве основного преимущества Works a богатый набор шрифтов, возможность включения в текст графических объектов, удобство редактирования фрагментов (переноса и копирования) и так далее. Преимущества Лексикона самостоятельно, как правило, они определить не могут, но после наводящих вопросов учителя устанавливают, что документы, созданные в Лексиконе, требуют гораздо меньше памяти для хранения, их текст можно просмотреть и распечатать из DOS и Norton Commander, не запуская на выполнение сам редактор. Далее они уже самостоятельно могут сформулировать, какой редактор лучше использовать для создания конкретного документа. После такой работы слова "назначение программного сред-ства" наполняются для них определенным смыслом (осознанным содержанием);
- учащиеся осознают, что важной характеристикой ПО является пользовательский интерфейс. Одним из результатов такого понимания является то, что при изучении программирования и написании собственных программ не встает вопрос, зачем, например, перед оператором Read в языке Pascal нужно вначале включать оператор Write, да и требования учителя по оформлению входных и выходных данных при написании учениками программ не воспринимаются как "придирки ;
- у учащихся формируется модель отношения к компьютеру как к инструменту решения практических задач, а не как к объекту изучения (потребительское отношение в хорошем смысле этого слова).
