Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Теоретические основы реализации профессиональной направленности математической подготовки учителя информатики при обучении методам и средствам защиты информации 20 - 59
1.1. Профессиональная направленность обучения как отражение современных подходов к модернизации высшего педагогического образования 20 - 26
1.2. Основы защиты информации в профессиональной подготовке учителей информатики 27 - 41
1.3. Условия реализации профессиональной направленности математической подготовки учителей информатики при обучении методам и средствам защиты информации 42 - 58
Выводы по главе 1 59 - 59
Глава 2. Дидактическая модель профессионально направленной математической подготовки учителя информатики при обучении методам и средствам защиты информации 60 - 109
2.1. Уровневая система целей профессионально направленного обучения основам защиты информации 60 - 66
2.2. Модульное содержание дисциплины «Методы и средства защиты информации» 67 - 91
2.3. Методы и формы профессионально направленного обучения основам защиты информации 92 - 103
2.4. Средства профессионально направленного обучения основам защиты информации 104 - 108
Выводы по главе 2 109 - 109
Глава 3. Практическая реализация дидактической модели профессионально направленной математической подготовки будущих учителей информатики при обучении методам и средствам защиты информации 110 - 165
3.1. Модульные траектории обучения основам защиты информации в условиях профильной вариативности образовательных программ 110 - 121
3.2. Опытно-экспериментальное обучение студентов основам защиты информации 122 - 137
3.3. Практические аспекты профессиональной направленности обучения дисциплине «Методы и средства защиты информации» 138 - 146
3.4. Результаты педагогического эксперимента 147 - 164
Выводы по главе 3 165 - 165
Заключение 166 - 168
Список литературы 169 - 185
- Профессиональная направленность обучения как отражение современных подходов к модернизации высшего педагогического образования
- Уровневая система целей профессионально направленного обучения основам защиты информации
- Средства профессионально направленного обучения основам защиты информации
- Результаты педагогического эксперимента
Введение к работе
Актуальность исследования. На современном этапе развития общества система подготовки учителей информатики и математики, как и вся система образования Российской Федерации, находится в состоянии модернизации, проводимой в соответствии с Федеральным законом «Об образовании в Российской Федерации», Концепцией развития образования на 2016-2020 годы и Концепцией развития математического образования в Российской Федерации.
Для высшей педагогической школы характерна тенденция к модернизации, направленной на приведение профессиональной подготовки учителя в соответствие с требованиями и условиями его будущей профессиональной деятельности. Приоритетной является задача формирования всесторонне образованного специалиста, мобильного, умеющего приспосабливаться к быстрым изменениям в развитии науки и общества, готового к освоению и внедрению в жизнь новейших достижений и открытий.
Опыт математической подготовки учителей информатики позволяет говорить о том, что современные студенты плохо осознают роль математики в будущей профессии и слабо мотивированы на изучение предметов математического цикла. При этом часто отмечается недостаточный уровень освоения студентами фундаментальных математических основ, необходимых для решения прикладных задач. Это указывает на отсутствие в полной мере преемственности между курсом фундаментальной математики и дисциплинами прикладного характера, а также на недостаточность профессиональной направленности обучения математике при подготовке будущих учителей информатики.
Стремительное развитие математических вычислительных методов и теорий, проникающих в различные области науки и сферы жизни, приводит к тому, что профессиональная направленность обучения математике для прикладных, технических, юридических и экономических специальностей становится весьма актуальной. Об этом свидетельствует большое число диссертационных исследований, посвященных этой проблеме, появившихся в последнее время (М. А. Васильевой, И. В. Детушева, Е. Д. Крайновой, Е. Г. Копосовой, Л. В. Шкериной и др.).
Существуют различные взгляды на проблему профессиональной
направленности обучения студентов. Некоторые авторы (А. К. Маркова, В. А. Сластёнин) рассматривают профессиональную направленность как мотив учения, стимулирующий познавательную деятельность студента. Другие (Г. Л. Луканкин, А. Г. Мордкович) особое внимание уделяют отбору и построению содержания образования. М. И. Махмутов характеризует принцип профессиональной направленности как использование педагогических средств, которые направлены на усвоение учащимися предусмотренных программами знаний, умений, навыков и в то же время успешно формируют интерес к профессии и профессиональные качества личности обучаемых.
Таким образом, реализация профессиональной направленности обучения требует учёта мотивационной составляющей, опоры на дидактические условия
организации обучения и обуславливает поиск новых решений в вопросе конструирования содержания, выборе методов и форм обучения при подготовке будущих специалистов.
Решение проблемы профессиональной направленности обучения математике
специалистов, занятых в области информационных технологий, часто связывают с
необходимостью интеграции обучения математике и информатике, что следует из
нормативных документов и современных диссертационных исследований (Л. Н.
Васильевой, М. С. Мирзоева и др.). Наиболее близкая направлению нашего
исследования докторская диссертация М. С. Мирзоева «Теоретико-методические
основания формирования математической культуры учителя информатики»
поднимает проблему интеграции предметных областей «Математика» и
«Информатика», понимая под этим «…объединение в единое целое
содержательных линий, общих для математики и информатики; общих понятийных аппаратов; общих организационных форм, методов обучения, инструментов деятельности». Однако выделенные при этом содержательные линии интеграции не в полной мере отражают взаимосвязь математики и информатики, особенно в контексте будущей педагогической деятельности учителя информатики. В знаниевый компонент математической культуры автор включает лишь математические основы информатики (дискретная математика, математическая логика, теория алгоритмов). Тем самым за рамками интеграции остаются классические математические дисциплины (алгебра, теория чисел и др.), лежащие в основе современных алгоритмов, стоящих на страже информационной безопасности. В то же время знакомство с вопросами информационной безопасности всё глубже проникает сегодня в школьный курс информатики и внеурочную деятельность школьников.
Другими словами, недостаточно исследованными остаются проблема
профессиональной направленности фундаментальной математической подготовки
учителей информатики и возможности, которые предоставляет для этого изучение
интегрированных междисциплинарных курсов, связанных с вопросами
информационной безопасности.
Изучение основ защиты информации с 1995 года последовательно вводится в основные образовательные программы подготовки учителей информатики и математики, что обусловлено потребностью в специалистах, способных грамотно и доступно осветить эти вопросы школьникам. С 2010 года реализуются образовательные программы по направлению подготовки Педагогическое образование, совмещающие два профиля («Информатика и Математика», «Информатика и Экономика», «Математика и Информатика»), что сделало актуальным разработку программ дисциплин по основам криптографии для обучения будущих учителей информатики, а также учебных и методических пособий, которые бы обеспечивали эти дисциплины, с учётом профилей подготовки.
Анализ состояния проблемы математической подготовки учителя
информатики в условиях перехода на новые образовательные программы,
сочетающие различные профили подготовки, позволил выделить существенные противоречия:
между повышающимися требованиями к профессиональной компетентности современного учителя информатики и недостаточно быстро осуществляющемся процессе модернизации профессиональной подготовки будущих учителей информатики в системе высшего педагогического образования;
между существованием богатейшего опыта преподавания фундаментальных математических дисциплин в системе высшего педагогического образования и слабым использованием этого потенциала для реализации профессионально направленного обучения математике будущих учителей информатики;
- между многообразием новых образовательных программ подготовки
учителей информатики с дополнительными профилями подготовки и
классическими программами базовых математических дисциплин в педагогических
вузах, не учитывающими эту специфику;
- между необходимостью профессионально направленного обучения будущих
учителей информатики математическим основам защиты информации и
недостаточно разработанным для этого учебно-методическим обеспечением.
Названные противоречия определили выбор темы предлагаемого
исследования.
Проблема исследования заключается в разрешении перечисленных противоречий и состоит в анализе теоретических возможностей и поиске практических путей реализации профессионально направленной математической подготовки учителей информатики при обучении методам и средствам защиты информации в условиях профильной вариативности образовательных программ.
Объектом исследования является процесс обучения математике будущих учителей информатики.
Предмет исследования: процесс профессионально направленной
математической подготовки будущих учителей информатики при обучении методам и средствам защиты информации в условиях профильной вариативности образовательных программ.
Целью исследования является теоретическое обоснование, разработка и апробация дидактической модели профессионально направленной математической подготовки учителей информатики при обучении методам и средствам защиты информации в условиях профильной вариативности образовательных программ.
Гипотеза исследования состоит в том, что обучение методам и средствам защиты информации в условиях профильной вариативности образовательных программ будет способствовать решению актуальной задачи профессионально направленного обучения математике будущих учителей информатики, если:
- в основу разработки дидактической модели профессионально направленной
математической подготовки учителей информатики при обучении методам и
средствам защиты информации будут положены требования усиления
фундаментализации и интегративности процесса обучения на основе принципов
практической значимости, профессиональной направленности, единства
гуманитарного и естественнонаучного знания;
- цели обучения методам и средствам защиты информации будут
сформулированы в виде уровневой системы теоретических, прикладных и
общепрофессиональных предметно-профессиональных компетенций;
содержание обучения методам и средствам защиты информации будет иметь модульную структуру, позволяющую строить модульные траектории обучения, учитывая дополнительные профили и уровень математической подготовки студентов;
в организации учебной деятельности будут использованы различные формы проблемного обучения, в частности, лабораторно-исследовательские работы, направленные на формирование у студентов навыков исследовательской деятельности, готовности к непрерывному самообразованию, личностно-профессиональному росту.
Цели, предмет и гипотеза исследования определили следующие задачи исследования.
-
На основе анализа научно-педагогической и учебно-методической литературы и диссертационных исследований выявить и теоретически обосновать условия реализации профессиональной направленности математической подготовки учителей информатики при обучении методам и средствам защиты информации в рамках профильной вариативности образовательных программ.
-
На основе ключевых положений компетентностного подхода разработать уровневую систему целей профессионально направленной математической подготовки учителей информатики при обучении методам и средствам защиты информации в терминах формируемых предметно-профессиональных компетенций.
-
Разработать модульную структуру содержания дисциплины «Методы и средства защиты информации», позволяющую варьировать изучение различных модулей дисциплины, учитывая дополнительные профили и уровень математической подготовки студентов.
-
На основе предложенной модульной структуры разработать и апробировать систему лабораторно-исследовательских работ, включающую комплекс общепрофессиональных заданий, которые позволят адаптировать вопросы теории защиты информации к школьному курсу информатики, сформировать у студентов навыки исследовательской работы, готовность к непрерывному самообразованию.
-
Разработать и внедрить в педагогическую практику учебно-методические материалы, обеспечивающие профессионально направленную математическую подготовку учителей информатики при обучении методам и средствам защиты информации в условиях профильной вариативности образовательных программ.
6. Экспериментально подтвердить гипотезу исследования.
Теоретическую и методологическую основу исследования составляют:
- нормативные документы в сфере образования (Закон Российской Федерации
«Об образовании в Российской Федерации», Государственная Программа
Российской Федерации «Развитие образования» на 2013-2020 годы, Концепция
развития математического образования в Российской Федерации, Федеральные
государственные образовательные стандарты высшего образования по направлению
подготовки Педагогическое образование, Федеральные государственные
образовательные стандарты общего образования и др.);
- основные положения методологии математического образования (В. А.
Гусев, А. Н. Колмогоров, Ю. М. Колягин, В. Л. Матросов. М. В. Потоцкий и др.);
- концепция фундаментализации образования (Е. И. Деза, В. Л. Матросов,
А. М. Новиков, В. А. Садовничий, В. М. Филиппов и др.);
- основные положения профессионально направленного подхода к
организации высшего образования, в том числе при подготовке учителя
информатики (Г. Л. Луканкин, М. И. Махмутов, А. Г. Мордкович, М. В. Потоцкий,
Л. В. Шкерина и др);
основные положения компетентностного подхода (В. И. Байденко, И. Я. Зимняя, Е. И. Деза, Д. А. Махотин, В. А. Сластёнин, Ю. Г. Татур, В. А. Тестов, А. В. Хуторской, В. Д. Шадриков и др.)
основные положения модульного подхода к организации обучения (В. В. Карпов, М. И. Катханов, Е. Н. Ковтун, С. Е. Родионова. П. А. Юцявичене и др.);
- исследования в области проблемного обучения и организации
самостоятельной исследовательской деятельности обучающихся (Ю. К. Бабанский,
И. Я. Лернер, М. И. Махмутов, А. Н. Рыблова, М. Н. Скаткин. и др.);
- математические и научно-методические исследования в области теоретико-
числовых основ защиты информации (О. Н. Василенко, Н. Коблиц, Е. Б. Маховенко,
А. Ю. Нестеренко, В. И. Нечаев, В. В. Ященко и др.).
Для проверки выдвинутой гипотезы и решения поставленных задач
использовались следующие методы исследования: теоретические (анализ
психолого-педагогической и научно-методической литературы по проблеме
исследования; анализ нормативных документов; анализ современных учебных и
учебно-методических пособий; изучение, анализ и систематизация педагогического
опыта; моделирование и структуризация содержания обучения; проектирование
учебно-методического обеспечения и др.); эмпирические (наблюдение,
анкетирование, тестирование, экспертная оценка и самооценка, педагогический эксперимент, статистическая обработка и анализ результатов педагогического эксперимента и др.).
База исследования: ФГБОУ ВО «Московский педагогический
государственный университет» (МПГУ).
Исследование проводилось с 2006 года по 2018 год. На первом этапе
эксперимента (2006-2010) изучались теоретические и практические аспекты
преподавания основ криптографии в рамках прикладных вопросов теории чисел
студентам математического факультета МПГУ. На данном этапе эксперимента
было конкретизировано направление исследования, выявлены основные
противоречия процесса математической подготовки учителей информатики в современных условиях.
На втором этапе (2010-2011) была выявлена необходимость разработки новых учебных программ для дисциплины «Методы и средства защиты информации», вводимой в образовательные программы бакалавриата по направлению подготовки Педагогическое образование с одним или двумя профилями подготовки
(«Математика и Информатика», «Информатика и Математика», «Информатика», «Информатика и Экономика), с учётом различий в уровне предварительной математической подготовки студентов.
В результате, на третьем этапе (2011-2017) были разработаны и
апробированы: модульные программы дисциплины «Методы и средства защиты
информации», а также дисциплин по выбору сопутствующей тематики для
студентов различных направлений и профилей подготовки; система лабораторно-
исследовательских работ, позволяющих активизировать самостоятельную
профессионально направленную исследовательскую деятельность будущих
учителей информатики по изучению современных теоретико-числовых приложений
в области защиты информации и использованию этих знаний в работе со
школьниками; учебные пособия, обеспечивающие изучение основ криптографии в
различных условиях; электронный курс по основам криптографии, который
предоставляет возможности для удалённого выполнения учебных заданий, упрощая
систему обратной связи и контроль за работой студентов.
На заключительном этапе (2017-2018) была проведена статистическая оценка и анализ результатов обучения будущих учителей информатики методам и средствам защиты информации в условиях разработанной дидактической модели.
Научная новизна исследования заключается в том, что на базе выделения и
теоретического обоснования условий реализации профессиональной
направленности обучения математике будущих учителей информатики разработана
и апробирована дидактическая модель профессионально направленной
математической подготовки учителей информатики при обучении методам и средствам защиты информации в условиях профильной вариативности образовательных программ, в рамках чего:
- построена уровневая система целей (внешних, внутренних,
вспомогательных) профессионально направленной математической подготовки
учителей информатики при обучении методам и средствам защиты информации в
терминах предметно-профессиональных компетенций (теоретических, прикладных
и общепрофессиональных), формируемых при изучении дисциплины «Методы и
средства защиты информации», каждого из модулей указанной дисциплины;
- выявлены и охарактеризованы основные типы модулей (дидактические,
структурные, тематические), используемые в организации профессиональной
подготовки учителя информатики; разработано модульное содержание дисциплины
«Методы и средства защиты информации», позволяющее строить различные
модульные траектории обучения основам криптографии в рамках профильной
вариативности образовательных программ, учитывая дополнительные профили и
уровень математической подготовки студентов;
- выделена специальная форма учебно-исследовательской деятельности
студентов при обучении основам криптографии – лабораторно-исследовательские
работы, состоящие из системы заданий, классифицированных по цели
(теоретические, прикладные, общепрофессиональные) и по уровню
(репродуктивный, репродуктивно-поисковый, поисково-исследовательский и
исследовательско-проектировочный); уточнено их место в образовательном
процессе; разработана система лабораторно-исследовательских работ для дисциплины «Методы и средства защиты информации», включающая задания, демонстрирующие возможность использования современных прикладных задач в последующей профессиональной деятельности учителя информатики;
- предложены учебно-методические материалы, обеспечивающие реализацию
построенной дидактической модели и опирающиеся на разработанные программы
дисциплины «Методы и средства защиты информации» и дисциплин по выбору
сопутствующей тематики, комплекс учебных пособий («Введение в криптографию:
Теоретико-числовые основы защиты информации», «Сборник задач по дисциплине
”Методы и средства защиты информации”» и «Сборник задач по теории чисел. 112
задач с подробными решениями») и авторский электронный курс «Основы
криптографии» на платформе Moodle.
Теоретическая значимость исследования состоит в том, что:
- выявленные условия реализации профессиональной направленности
обучения математике будущих учителей информатики вносят вклад в
теоретическое обоснование механизмов совершенствования профессиональной
подготовки учителя информатики, обеспечивая научное обоснование
целесообразности применения разработанной дидактической модели
профессионально направленной математической подготовки учителей информатики
при обучении методам и средствам защиты информации в условиях профильной
вариативности образовательных программ;
- построенная уровневая система целей профессионально направленной
математической подготовки учителя информатики при обучении методам и
средствам защиты информации расширяет рамки использования компетентностного
подхода в высшем педагогическом образовании, уточняет требования,
предъявляемые к результатам освоения дисциплины, позволяет поэтапно
прогнозировать оптимальный уровень профессиональной компетентности
студентов, служит теоретической основой формирования содержания обучения;
- анализ основных типов модулей, используемых в ходе профессиональной
подготовки учителя информатики, вносит вклад в теорию модульного обучения, а
разработанное модульное содержание дисциплины «Методы и средства защиты
информации» и дисциплин по выбору сопутствующей тематики обогащает
дидактику профессиональной подготовки учителя информатики;
- теоретически обоснованное выделение лабораторно-исследовательских
работ студентов как метода, формы и средства контроля обучения расширяет
теоретическую базу разработки современных форм осуществления
образовательного процесса и контроля его результатов, способствует
формированию у студентов навыков исследовательской работы.
Практическая значимость исследования заключается в том, что в условиях
профильной вариативности образовательных программ разработаны на основе
модульной структуры содержания и внедрены в педагогическую практику
математического факультета МПГУ дисциплины «Методы и средства защиты
информации», «Информационная безопасность», «Прикладные вопросы
математики», а также дисциплины по выбору «Теоретико-числовые алгоритмы в
криптографии», «Специальные числа натурального ряда», «Математические методы обработки информации», использующие систему лабораторно-исследовательских работ в качестве основной формы учебно-исследовательской деятельности и средства контроля.
Комплекс учебных пособий («Введение в криптографию: Теоретико-числовые основы защиты информации», «Сборник задач по дисциплине «Методы и средства защиты информации»» и «Сборник задач по теории чисел. 112 задач с подробными решениями») поддерживает модульную структуру содержания дисциплины «Методы и средства защиты информации» и дисциплин по выбору сопутствующей тематики, обеспечивает методическое сопровождение системы лабораторно-исследовательских работ, служит содержательной базой для индивидуальной учебно-исследовательской работы студентов и профессиональной деятельности учителя информатики (организация курсов по выбору, олимпиад, проектной деятельности учащихся и др.).
Электронный курс «Основы криптографии», разработанный на платформе Moodle, служит дополнением к уже представленным пособиям, предоставляет условия для дистанционного изучения дисциплин, позволяет совмещать учебные, развивающие и контрольные составляющие обучения, упрощая систему обратной связи и контроля.
Достоверность и обоснованность полученных результатов исследования
обеспечивается выбором методологических, психолого-педагогических,
математических и методических подходов, положенных в основу исследования в
соответствии с его целями и задачами; теоретическим обоснованием и практической
реализацией основных положений исследования; положительными результатами
педагогического эксперимента, возможностью повторения эксперимента;
сопоставлением полученных данных с многолетним опытом участия автора в подготовке будущих учителей информатики на базе математического факультета Московского педагогического государственного университета.
На защиту выносятся следующие положения.
1. Обучение методам и средствам защиты информации в условиях
профильной вариативности образовательных программ способствует решению
актуальной задачи профессионально направленного обучения математике будущих
учителей информатики, если оно реализуется в рамках дидактической модели
профессионально направленной математической подготовки учителей
информатики при обучении методам и средствам защиты информации, в основу
разработки которой положены требования усиления фундаментализации и
интегративности процесса обучения на основе принципов практической
значимости, профессиональной направленности, единства гуманитарного и
естественнонаучного знания, а при формулировке целей, отборе содержания и
выборе форм организации образовательного процесса использованы основные
положения компетентностного, модульного и проблемного подходов.
2. Уровневая система целей профессионально направленной
математической подготовки учителей информатики при обучении методам и
средствам защиты информации в терминах предметно-профессиональных
компетенций (теоретических, прикладных и общепрофессиональных) позволяет поэтапно прогнозировать оптимальный уровень профессиональной компетентности будущего учителя информатики, служит теоретической основой формирования содержания обучения.
-
Модульное содержание дисциплины «Методы и средства защиты информации» позволяет варьировать обучение элементам теории защиты информации, учитывая дополнительные профили и уровень математической подготовки студентов, создавать модульные траектории обучения будущих учителей информатики основам криптографии.
-
Использование при обучении основам криптографии лабораторно-исследовательских работ, включающих в себя задания, демонстрирующие возможности применения современных прикладных задач в образовательной деятельности учителя информатики, позволяет реализовать профессиональную направленность математической подготовки студентов, способствует формированию у них навыков исследовательской работы, готовности к непрерывному самообразованию, личностно-профессиональному росту.
-
Разработанный комплекс учебных пособий обеспечивает обучение основам защиты информации в условиях профильной вариативности образовательных программ, поддерживает модульную структуру содержания дисциплины «Методы и средства защиты информации», обеспечивает методическое сопровождение системы лабораторно-исследовательских работ, служит содержательной базой для индивидуальной учебно-исследовательской работы студентов и профессиональной деятельности учителя информатики (организация курсов по выбору, олимпиад, проектной деятельности учащихся и др.). Электронный курс «Основы криптографии», разработанный на платформе Moodle, служит дополнением к уже представленным пособиям, предоставляет условия для дистанционного изучения дисциплин, позволяет совмещать учебные, развивающие и контрольные составляющие обучения, упрощая систему обратной связи и контроля.
Апробация результатов исследования. Основные положения исследования
докладывались и обсуждались на конференциях и научных семинарах: 29-м
Всероссийском научном семинаре преподавателей математики университетов и
педвузов «Профессионально педагогическая направленность математической
подготовки учителя математики в педвузах в современных условиях» (Москва,
МГПУ, 2010); Всероссийской конференции «Информационные технологии в
образовании XXI века» (Москва, МИФИ, 2011); II и III Международных научных
конференциях «Актуальные проблемы обучения математике и информатике в
школе и вузе» (Москва, МПГУ, 2014, 2016); Международной научно-практической
конференции «Наука нового времени: сохраняя прошлое – создаем будущее»
(Санкт-Петербург, 2017); 11-ой Международной научно-практической конференции
«Новые информационные технологии в образовании и науке НИТО-2018»
(Екатеринбург, 2018); Международной научно-практической конференции
«Форсайт образования: ценности, модели и технологии дидактической коммуникации XXI века» (Калуга, 2018); Международной научно-практической
конференции «Профессионализм педагога: сущность, содержание, перспективы развития», посвящённой 130-летию со дня рождения А.С. Макаренко (Москва, МГОУ, 2018). Различные аспекты проблематики неоднократно были предметом дискуссии на научных сессиях по итогам научно-исследовательской работы МПГУ, научно-методических семинарах кафедры теории чисел МПГУ, кафедры элементарной математики и методики обучения математике МПГУ.
Внедрение результатов исследования проводилось на базе математического
факультета ФГБОУ ВО «Московский педагогический государственный
университет», факультета математики, физики и информатики ФГБОУ ВО «Тульский государственный педагогический университет им. Л. Н. Толстого», а также ГБОУ г. Москвы «Школа № 2101 «Филевский образовательный центр» и ГБОУ г. Москвы «Школа № 86 имени М.Е. Катукова».
По теме диссертационного исследования опубликовано 20 научных, учебных и методических работ (объём 91,2 п. л), в том числе 5 статей в изданиях, рекомендованных ВАК Министерством образования и науки России (объём 5,26 п. л.).
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, основной части (содержащей три главы), заключения и списка литературы (179 наименований). Общий объём диссертации составляет 185 с. Основной текст – 168 с., в том числе 35 рисунков, 38 таблиц; 16 с. составляет список литературы.
Профессиональная направленность обучения как отражение современных подходов к модернизации высшего педагогического образования
С 90-х годов двадцатого века в России ведется работа, направленная на обновление структуры и содержания педагогического образования. Сложившаяся за последние два столетия система педагогического образования, представляющая собой линию преемственных профессиональных образовательных программ среднего, высшего и послевузовского педагогического образования, была уникальна в своем роде. Однако стремительно меняющиеся реалии создали необходимость модернизации системы с целью создания условий для формирования специалиста, всесторонне образованного, способного приспособиться к быстрым изменениям в развитии общества в целом и отечественного образования, в частности.
Повышение требований к качеству педагогического образования было обозначено насущной проблемой и послужило стимулом обновления содержания педагогического образования. В основу этого обновления были заложены принципы преемственности и универсальности, фундаментальности и вариативности, интегративности и практической направленности [48]. В «Программе развития системы непрерывного педагогического образования России», разработанной в МПГУ в 2001 году, было особо подчеркнуто, что современная система непрерывного педагогического образования должна быть динамично развивающейся, открытой, многоступенчатой, многоуровневой, многофункциональной и гибкой [49].
В соответствии с Программой модернизации педагогического образования (2003 г.) и в рамках присоединения к Болонской декларации началась разработка федеральных государственных образовательных стандартов высшего профессионального образования (ФГОС ВПО), соответствующих уровневой системе высшего профессионального образования.
На сегодняшний день вся система образования в Российской Федерации находится в состоянии модернизации. Последние изменения и тенденции этого процесса отражены в Федеральном законе «Об образовании в Российской Федерации» [167], действующем с 2013 года, и Концепции развития образования в Российской Федерации [81], принятой в 2014 году.
Основной целью профессионального образования в целом сегодня является формирование «конкурентоспособного человеческого потенциала», способного реализовать себя не только в России, но и за ее пределами, подготовка квалифицированного работника соответствующего профиля и уровня, владеющего своей профессией и ориентирующегося в смежных областях, готового к постоянному профессионально-личностному росту [81].
В основе Концепции развития образования на 2016 - 2020 годы [81] лежит вариативность образовательного процесса, направленная на индивидуализацию подготовки будущих специалистов, позволяющую ориентироваться на быстро меняющиеся запросы рынка труда. Такой подход влечет необходимость разработки новых учебных программ для дисциплин на основе модульного и интегративного подходов к формированию содержания, учитывающих различия в уровне предварительной подготовки студентов и сочетаемых смежных профилей, например, «Математика и Информатика», «Информатика и Математика», «Информатика и Экономика», «Математика и Экономика» и т. д. Разработанные на сегодняшний день Федеральные государственные образовательные стандарты высшего образования (ФГОС ВО) третьего поколения не содержат обязательного минимума содержания дисциплин и ориентированы на компетентностную модель выпускника, при которой требования к результатам освоения основной образовательной программы выражено в понятиях «компетенция» и «компетентность». Психолого-педагогическую основу компетентностного подхода составляют работы В.И. Байденко [12], И.А. Зимней [63], Ю.Г. Татура [156], А.В. Хуторского [170] и др.
Единого определения компетентностного подхода в профессиональной подготовке учителя нет и, наверное, не может быть. Его можно рассматривать как:
приведение содержания образования в соответствие с происходящими изменениями в социально-экономической сфере;
способность человека действовать за пределами учебной деятельности;
радикальное средство модернизации;
возможность переноса сформированной способности в новые условия;
готовность специалиста включиться в определенную деятельность.
При этом в многочисленных исследованиях в этой области (И.А. Зимней [63], Ю.Г. Татура [156], А.В. Хуторского [170] и др.) принято разделять понятия «компетенция» и «компетентность». Под компетенцией понимается, прежде всего, фиксируемое прогнозируемое качество будущего специалиста, включающее в себя и необходимые профессиональные знания, умения и навыки, и личностные качества, способствующие эффективному их использованию. Компетентность же - это результат подготовки специалиста, выраженный в сформированности у него профессионально значимых компетенций. При этом, как всякий результат, компетентность может быть различного уровня в зависимости от уровня сформированности соответствующих компетенций. Формирование профессиональной компетентности студентов при обучении конкретной дисциплине или содержательной линии, объединяющей несколько родственных дисциплин, подразумевает формирование предметно-профессиональных компетенций, отражающих общие требования к уровню подготовки, сформулированные в ФГОС ВО, в контексте заданной предметной области.
При этом говоря о формировании профессиональной компетентности, а именно, о формировании отдельных предметно-профессиональных компетенций, мы говорим о процессе, способствующем такому формированию, а именно о профессионально направленном обучении (рис.1.1.1).
Применительно к подготовке будущих учителей этот принцип рассматривался в работах Н.В. Кузьмина, Г.Л. Луканкина [115], А.Г. Мордковича [126], А.И. Нижникова, В.А. Сластенина, А.И. Щербакова и др.
Проблема профессиональной направленности «… включает в себя как формирование социальной и психологической направленности будущих специалистов на профессиональную деятельность, так и междисциплинарные связи в организации и содeржании обучeния в вузе» (О.Г. Князева[73]).
В различных работах профессионaльная направленность рассматривается как:
- мотив учения, активизирующий познавaтельную деятельность студента (И.Н. Алешина [5], Н.В. Кузьмина, А.К. Мaркова [117]);
- отбор и построение содержания образования на основе межпредметных связей общенаучных, общепрофессиональных и специальных дисциплин (Г.С. Гутонов, Л.В. Мельникова, А.Я. Кудрявцев [107]);
- «…своеобразное использование педагогических средств, при котoром обеспечивается усвоение учащимися предусмотренных программами знаний, умений, навыков и в то же время успешно формируется интерес к данной профессии, ценностное отношение к ней, профессиональные качества личности» (М.И. Махмутов [121]).
Таким образом, профессиональная направленность обучения в высшей школе подразумевает целенаправленное совершенствование всех составляющих организации обучения, поиск новых подходов к формированию содержания, поиск методов и форм работы со студентами, направленных на осознанное восприятие ими не только самих изучаемых дисциплин, но и роли полученного знания в будущей профессиональной деятельности.
Уровневая система целей профессионально направленного обучения основам защиты информации
Одним из выделенных нами условий реализации профессиональной направленности обучения математике при подготовке учителей информатики является построение уровневой системы целей их математической подготовки при обучении методам и средствам защиты информации в терминах предметно-профессиональных компетенций.
Реализуя данное условие при разработке целей изучения дисциплины МСЗИ, мы опирались на компетентностную модель профессиональной подготовки будущего учителя, в которой основные требования к результату обучения выражаются способностью к осуществлению профессиональной деятельности, готовностью к непрерывному профессиональному и личностному росту, владению приобретаемыми социальными навыками и т.д. При этом профессиональная направленность обучения становится и главной целью, и основным критерием отбора содержания, выбора методов и форм обучения, и объединяющим фактором для совмещения профилей подготовки будущих учителей.
В нашем случае, учитывая зависимость изучения дисциплины от различных внешних факторов, мы говорим о построении уровневой системы целей освоения дисциплины, состоящей из внешних, внутренних и вспомогательных компетенций.
К двухуровневой системе внешних компетенций мы относим, прежде всего, нормативные требования к результатам освоения ООП бакалавриата (внешние нормативные компетенции), которые сформулированы в ФГОС ВО в терминах овладения студентами общекультурными (ОК), общепрофессиональными (ОПК) и профессиональными (ПК) компетенциями. Второй уровень внешних компетенций образован требованиями к качеству предварительной предметной подготовки студентов, то есть компетенциями, которые должны быть сформированы к моменту начала изучения дисциплины (внешние входные компетенции). Мы называем эти (и все представленные ниже) компетенции предметно-профессиональными (ППК).
Под внутренними мы понимаем компетенции, формируемые в рамках изучения базисной составляющей самой дисциплины МСЗИ. Они естественным образом уточняются при постановке точечных целей освоения того или иного тематического модуля дисциплины.
Вспомогательными мы называем компетенции, которые могут быть сформированы в рамках изучения вариативной составляющей дисциплины МСЗИ, параллельного изучения д/в смежной тематики, индивидуальной учебно-исследовательской деятельности студентов при написании ими КР и ВКР.
Многоуровневая иерархия компетенций представлена на рисунке 2.1.1 (серым цветом выделены внешние нормативные компетенции, голубым – внешние входные, белым – внутренние, синим – вспомогательные).
В структуре криптографического модуля на уровне математической подготовки в целом они выражаются знанием основных законов логики математических рассуждений; умением проводить доказательные рассуждения; знанием основных математических структур, пониманием общей структуры математического знания, взаимосвязей математических дисциплин; умением использовать математику как универсальный язык науки, строить математические модели исследуемых проблем, решать практические задачи с помощью построенных моделей. На уровне криптографического модуля в целом и дисциплин «Алгебра» и «Теория чисел» в частности - знакомством с классическими разделами теории чисел и алгебры, их основными методами и теориями; осознанием практической значимости основных разделов алгебры и теории чисел для решения современных прикладных задач; умением применять теоретические факты этих дисциплин к решению практических задач.
Многоступенчатость системы целей обеспечивается последовательным проецированием внешних целей на проектируемые внутренние цели дисциплины (рис. 2.1.2).
Разрабатывая внутренние ППК МСЗИ, мы исходили из того, что цели изучения дисциплины в целом и каждого конкретного модуля, в частности, имеют теоретические (Т-цели), прикладные (П-цели) или общепрофессиональные (ОП-цели) аспекты. Для Т-целей характерны требования «ознакомиться, изучить соответствующую теорию, метод и т.д.».; для П-целей - требования «уметь реализовывать алгоритмы, использовать приложения теории к решению задач и т.д.»; для ОП-целей – требования «уметь определять возможность применения изученного к последующей профессиональной деятельности».
В таблице 2.1.1 представлены разработанные в соответствии с предложенной схемой ППК, формируемые в результате изучения дисциплины МСЗИ.
Для каждого модуля перечисленные выше Т-, П- и ОП-цели дисциплины детализируются в соответствии с точечными задачами, стоящими перед модулем. При изучении студентами д/в сопутствующей тематики, написании ими КР и ВКР уточняются вспомогательные ППК дисциплины МСЗИ в целом и отдельных модулей, в частности, формируемые в результате индивидуальной учебно-исследовательской деятельности студента.
Средства профессионально направленного обучения основам защиты информации
Особое место в методическом сопровождении каждого курса занимают носители учебной информации: учебники, учебные и учебно-методические пособия, учебные электронные ресурсы, научно-популярная литература и др.
Пособия выполняют три основные функции: обучающую, воспитывающую и развивающую.
В условиях профессиональной направленности учебного процесса их можно детализировать [102], выделив функции:
мотивационная - стимулирование к деятельности, направленной на достижение целей профессиональной подготовки;
информационная - предоставление необходимого для этого содержания;
ориентационная - возможность профессионально-ориентированного выбора элементов содержания;
диверсификационная - обеспечение многовариантности профессиональной подготовки;
систематизирующая - структуризация предметных знаний;
интеграционная - построение содержательно-смыслового каркаса предметных знаний;
оценочная - содержательное обеспечение контроля качества предметной подготовки.
В контексте профессиональной направленности образования к учебным пособиям предъявляются дополнительные требования [102]:
многоуровневость предлагаемых задач: от отработки необходимых умений и навыков, до обеспечения учебно-исследовательской работы студентов;
включение в текст пособия профессионально-ориентированных задач, в том числе задач из школьных учебников, занимательных задач, задач олимпиадного типа и др.;
наличие заданий практической направленности, заданий лабораторных работ, списка тем для организации учебно-исследовательской деятельности студентов и проектной деятельности школьников и т.д.;
наличие заданий для (само)проверки и (само)контроля, в том числе примерных вариантов самостоятельных и контрольных работ;
наличие ссылок на другие учебники и учебные пособия, научно-популярную литературу, интернет-сайты и другие источники информации;
обеспечение возможности информационно-коммуникационной поддержки усвоения материала; выполнение лабораторных работ с использованием вычислительной техники; наличие электронного варианта пособия или материалов к нему; другие возможности оптимизации обучения на базе КТ.
Для обеспечения дисциплины МСЗИ, руководствуясь всеми вышеизложенными требованиями, мы разработали:
- программу дисциплины [97];
- сборник задач [98];
- учебные пособия [99, 84];
- электронный курс в системе Moodle.
1. В программе дисциплины МСЗИ [97] представлено тематическое планирование, приведены примеры заданий для различного вида работы (задания для творческих домашних заданий, для практических занятий и ЛИР, вопросы и задачи к зачету). Представленная система заданий позволяет выделить вопросы для подготовки к зачету.
2. Сборник задач по дисциплине МСЗИ [96], изданный в 2015 году, представлен в печатном и электронном виде в библиотеке университета. Сборник содержит задания для самостоятельной работы студентов. Пособие может быть полезно для использования на семинарских занятиях при изучении дисциплины МСЗИ и проведения занятий по дисциплинам по выбору соответствующего направления подготовки, таким как «Теоретико-числовые алгоритмы в криптографии», «Специальные числа натурального ряда», «Математические основы информатики» и т.д.
3.Учебное пособие Е.И. Деза и Л.В. Котовой «Теоретико-числовые основы защиты информации» [84] полностью соответствует модульной программе дисциплины МСЗИ, содержит теоретический материал для каждого из вышеуказанных модулей, а также задачи различного уровня сложности, как математического, так и криптографического содержания. В пособии представлены также задания как для уже описанных ЛИР, так и для дополнительных работ такого характера, которые можно использовать для более подробного изучения некоторых модулей в рамках отдельных дисциплин по выбору. Ряд из них может быть предложен и школьникам в качестве учебных и дополнительных творческих заданий.
Материал пособия предназначен для изучения дисциплины «Методы и средства защиты информации» и других родственных дисциплин по выбору по основам криптографии и приложениям теории чисел.
Обеспечить изучение модуля М0 и использовать в качестве «гида» по вопросам теории чисел, лежащим в основе фактически всех рассматриваемых алгоритмов и задач, может подготовленное нами учебное пособие Е.И. Деза, Л.В. Котова «Сборник задач по теории чисел. 112 задач с подробными решениями» [99].
Данное пособие содержит теоретический справочный материал, примеры решения типовых задач, упражнения и задачи, охватывая все вопросы курса теории чисел, изучаемые в рамках подготовки учителей математики и информатики (отношение делимости, простые и составные числа, НОД и НОК, алгоритм Евклида; арифметические функции; отношение сравнимости, малая теорема Ферма и теорема Эйлера, решение сравнений: линейные сравнения и системы сравнений, сравнения по степени простого и по составному модулю; квадратичные вычеты и символ Лежандра; показатели и первообразные корни, индексы; цепные дроби и их применение).
Таким образом, оба пособия взаимосвязаны: пособие по криптографии можно использовать и для продолжения теоретико-числовой подготовки, а пособие по теории чисел может существенно помочь в изучении теоретико-числовых основ защиты информации.
4. Электронный курс «Основы криптографии», разработанный нами на платформе системы Moodle, служит дополнением к уже представленным пособиям и позволяет совмещать учебные, развивающие и контрольные составляющие обучения. Он позволяет использовать интерактивные ресурсы любого формата. Все материалы курса хранятся в системе ИнфоДа МПГУ. На рисунке 3.4.1 можно увидеть фрагмент первой страницы курса.
Работа с электронным курсом ориентирована на совместную работу преподавателя и студента. Система поддерживает обмен файлами, что позволяет выполнять студентам групповые ЛИР удаленно. При этом у преподавателя есть возможность проконтролировать и оказать помощь в работе над выполнением ЛИР, не затрачивая на это аудиторные часы.
Таким образом, у студентов появляется больше возможностей для самостоятельного, более глубокого изучения интересующих их вопросов, для написания КР и ВКР, связанных с вопросами защиты информации. Несомненным плюсом использования различных электронных курсов для студентов является возможность учиться в любое время, в любом месте.
Для преподавателя работа с электронной версией курса предоставляет широкие возможности по корректировке обучения дисциплине МСЗИ в зависимости от уровня подготовки студентов, от профиля подготовки и т.д., а также для организации обратной связи и проведения промежуточного контроля. Всевозможные тесты и опросники позволяют сэкономить время на проведение письменных опросов на занятиях. Студенты имеют возможность сразу увидеть свои результаты с указанием допущенных ошибок.
Результаты педагогического эксперимента
Основными целями педагогического эксперимента являлись разработка, апробация и проверка эффективности дидактической модели профессионально направленной математической подготовки учителя информатики при обучении методам и средствам защиты информации в условиях профильной вариативности ОП. Эксперимент проходил на базе Московского педагогического государственного университета (математический факультет).
На поисково-аналитическом этапе эксперимента (2006-2010) изучались теоретические и практические аспекты преподавания основ криптографии в рамках прикладных вопросов теории чисел студентам математического факультета МПГУ.
На данном этапе эксперимента было уточнено направление исследования, обнаружены основные противоречия, сложившиеся в процессе профессиональной подготовки учителей информатики при обучении прикладным математическим курсам.
Задачами поисково-аналитического этапа педагогического эксперимента являлись:
1) изучить условия преподавания элементов криптографии в рамках прикладных вопросов теории чисел будущим учителям математики и информатики (дисциплины и их место в ООП, рабочие учебные программы, учебные пособия и др.);
2) изучить отношение студентов к прикладным курсам, их оценку перспективности использования полученных знаний в будущей профессиональной деятельности.
Анализ условий преподавания элементов криптографии в рамках прикладных вопросов теории чисел будущим учителям математики и информатики подробно изложен нами во втором параграфе первой главы.
Основными проблемами, выявленными в результате этого анализа являются:
нестабильность курса (новая область знаний, отсутствие сформировавшегося содержания);
неустойчивые условия изучения (в рамках разных направлений подготовки изучается на разных курсах, что обуславливает различия в предварительной математической подготовке студентов);
отсутствие учебно-методического обеспечения таких курсов.
В целях решения второй задачи - изучения оценки студентами информатиками профессиональной (прикладной) составляющей их подготовки по математике - на первом и последнем занятиях по изучению основ криптографии им предлагались следующие вопросы (таблица 3.4.1).
Беседы проводились как со студентами 5-го курса при обучении дисциплине «Прикладные вопросы математики: криптография», так и со студентами 2-3 курсов при обучении дисциплинам «Основы криптографии», «Математические методы обработки информации», дисциплинам по выбору «Специальные числа натурального ряда», «Математические основы информатики».
Анализ проводился в двух измерениях. Мы хотели выявить разницу в восприятии роли математики студентами 2-3-го и 5-го курсов, с одной стороны, и изменения, произошедшие во времени (то есть проследить, как менялись эти данные на протяжении пяти лет) - с другой.
Результаты ответов на первые два вопроса до изучения теоретико-числовых приложений в 2006 году (рис. 3.4.2 и рис.3.4.3) говорят о том, что в этот период студенты полагали свою математическую подготовку более полезной на младших курсах. Вероятнее всего потому, что у них было примерно одинаковое число часов по математике и информатике, и это воспринималось ими как органичное и важное. Однако мы можем заметить, что к пятому курсу процент тех, кто не видел необходимости в глубоком изучении математики, увеличивался. Это было связано, в первую очередь, с глобальным сокращением часов аудиторной подготовки, начатой в период реформ. От этого страдали часы на прикладные вопросы изучаемых разделов. Исчезли часы на изучение прикладных вопросов математики в рамках отдельных дисциплин у старших курсов; сократились аудиторные часы дисциплин, что привело к тому, что, желая сохранить фундаментальную составляющую, уделялось все меньше времени приложениям. К пятому курсу у студентов возникало ощущение, что они изучают отдельные дисциплины скорее «для общего развития». Связи между математикой и информатикой ослабевали в связи с тем, что дисциплины все время переставлялись из семестра в семестр, каждый курс шел по отдельным планам, преемственность между дисциплинами утрачивалась не только в рамках межпредметных областей математики и информатики, но даже на уровне математических дисциплин.
Отметим, что после знакомства с основами криптографии результаты обычно менялись.
На рис. 3.4.4 представлены данные по ответам на первый вопрос анкеты в 2010 году, полученные на пятом курсе и третьем курсе, соответственно, до и после изучения прикладных вопросов теории чисел. Положительная динамика, очевидно, имела место. При этом младшие курсы живее реагировали на изучение приложений.
При ответе на третий вопрос до изучения приложений студенты-информатики чаще всего отдавали пальму первенства дискретной математике, так как именно она ассоциировалась у студентов с информатикой, а математический анализ и алгебра им казались экзотической для информатики областью. Теория чисел занимала в опросах второе место благодаря системе RSA, которая уже входила в программу обучения на занятиях по информатике (причем к ней обращались не один раз в процессе обучения). Однако редко кто-либо из студентов был способен объяснить, как она работает (в чем, собственно, секрет ее слабой вскрываемости), и каким условиям должны удовлетворять ее основные параметры для эффективной работы. О слабых и сильных сторонах этой информационной защиты вообще не было возможности рассуждать, не понимая до конца природу ее функционирования. Причина таких результатов состояла в оторванности изучения математических алгоритмов от их математических основ.
После изучения дисциплины «Прикладные вопросы математики: криптография» на пятом курсе и дисциплин прикладного содержания, соответственно на 2–3-м курсах, ответы студентов на третий вопрос тоже претерпели изменения (рассматриваем средний показатель) (рис. 3.4.5).
Отметим, что при обучении дисциплинам криптографического содержания особое внимание уделялось теоретико-числовым приложениям, отсюда и такой скачок в результатах, однако, также отмечалась важность и фундаментальной подготовки по математическому анализу и алгебре. Возможность оценить сложность алгоритма напрямую зависит от владения теорией бесконечно больших величин и приближений. Матричное шифрование и псевдослучайные последовательности демонстрируют вклад алгебраических структур в совершенствование простейших криптосистем.
При ответе на четвертый вопрос (до изучения теоретико-числовых приложений) студенты очень затруднялись найти известные им приложения теории чисел в обычной жизни. Небольшое количество студентов редко, но вспоминали о признаках делимости, еще реже упоминались приближенные вычисления, и совсем редко студенты говорили о криптографии.
Основным выводом проведенного исследования в рамках второй задачи стало то, что осознание студентами роли математической подготовки в их дальнейшей учебной и профессиональной деятельности напрямую зависит от соблюдения профессиональной направленности при обучении математическим дисциплинам.