Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. ПРОБЛЕМЫ СОДЕРЖАНИЯ ГРАФО-ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ДИСЦИПЛИН В СВЯЗИ С КОМПЛЕКСНОЙ ПРОБЛЕМОЙ РАЗВИТИЯ СОДЕРЖАНИЯ И ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ЗНАНИЙ
1.1. Направления формирования и развития предметных областей знаний.. . 12
1.2. Представление знаний в системах искусственного интеллекта как проблема состава и структуры содержания предметных областей знаний. ... 21
1.3.проблемы содержания учебных предметов 36
1.4. Проблемы содержания графо-геометрического образования 51
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 1: 60
ГЛАВА 2. СИСТЕМНО-ДЕЯТЕЛЬНОСТНЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ КАК МЕТОДОЛОГИЧЕСКОЕ СРЕДСТВО ФОРМИРОВАНИЯ И ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ЗНАНИЙ ПРЕДМЕТНЫХ ОБЛАСТЕЙ 61
2.1. Конструктивные представления системы 61
2.2. Системно-деятельностные представления 80
2.3. Системно-деятельностная модель решения задач 98
2.4. Системно-деятельностное представление процесса обучения 119
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 2 142
ГЛАВА 3. ГЕОМЕТРИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ КАК МЕТОДОЛОГИЧЕСКИ НАПРАВЛЕННАЯ УЧЕБНАЯ ДИСЦИПЛИНА, ПОСТРОЕННАЯ НА ПРИНЦИПАХ СИСТЕМНО-ДЕЯТЕЛЬНОСТНЫХ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ 144
3.1. Методика проектирования содержания учебной дисциплины «геометрическое моделирование» выделением «ядра» соответствующей ей предметной области 144
3.2. Новые информационные технологии в формировании состава и структуры содержания "геометрического моделирования" 159
3.3. Анализ содержания дисциплины "геометрическое моделирование" в отношении к содержанию базовых графических дисциплин 167
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 3 184
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 185
ЛИТЕРАТУРА 188
ПРИЛОЖЕНИЕ 204
- Направления формирования и развития предметных областей знаний..
- Конструктивные представления системы
- Методика проектирования содержания учебной дисциплины «геометрическое моделирование» выделением «ядра» соответствующей ей предметной области
Введение к работе
Современная инженерная деятельность развивается и реализуется в условиях внедрения новых информационных технологий (НИТ), широко использующих средства компьютерной графики. Резкое усложнение создаваемых технических систем потребовало нового качества инженерной деятельности, которая в своей основе становится системотехнической. Как следствие, возникла новая методология проектирования, развиваются интеллектуальные системы проектирования, базирующиеся на новых подходах к решению задач искусственного интеллекта.
По необходимости эти системы широко используют активизацию образной составляющей инженерного мышления, что проявляется в новом качестве графо-гёометрического моделирования и все более широком использовании графических языков представления информации. Предъявляются все более серьезные требования к качеству образно-геометрического мышления. Развитие отечественной прикладной геометрии, подтвердив широкие возможности геометрического метода, выявило острую потребность в систематизации геометрических знаний.
Однако, уровень преподавания графо-геометрических дисциплин, как в отношении содержания, так и в части используемых методов и средств не отвечает требованиям ни современной методологии проектирования, ни уровню развития НИТ. Содержание гра-фо-геометрической подготовки инженера на базовом уровне ограничивается традиционными курсами "Начертательной геометрии" и "Черчения", а также "Инженерной графики", к которым в последние годы были добавлены ограниченные по учебным часам курсы "Компьютерной графики". К сожалению, методы и средства обуче-
ния этим дисциплинам во многом продолжают оставаться традиционными с ограниченным привлечением компьютерной графики и элементов САПР, что во многом определяется отсутствием системности в их содержании.
Проблема повышения качества графической подготовки, широко исследуемая на разных этапах обучения (Б.Ф.Ломов, Н.Ф.Четверухин, Е.Н.Кабанова-Меллер, И.С.Якиманская, А.Я.Блаус, А.Д.Ботвинников, В.А.Гервер и др.), продолжается исследоваться по разным направлениям: в формировании деятельности графического моделирования в логике знаково-символической деятельности (Н.Г.Салмина), в творческой деятельности, основанной на методологических знаниях (И.П.Калошина), в подходе, использующем методы системного анализа (З.А.Решетова), в контекстном подходе (А.А.Вербицкий) и др.
Однако, осознанное и активное внедрение многочисленных результатов, распределенным по разнообразным теориям и концепциям, направлениям и подходам, методам и методикам для преподавателей предметников оказывается практически невозможным из-за отсутствия конструктивных системных представлений, как процесса обучения, так и единой методологии проектирования дидактических систем. Эта проблема остро стоит перед развитием и использованием современных интеллектуальных АОС, как проблема разработки баз знаний по проектированию обучающих систем.
Все это говорит о существующих серьёзных противоречиях, к каковым относятся следующие противоречия:
между потребностью в систематизации геометрических знаний и возможностями системно несвязанных базовых и других учебных графо-геометрических дисциплин, что предопределяет ре-
цептурность, а порой и невозможность применения геометрических методов для достижения оптимальных инженерных решений;
между новыми возможностями компьютерной графики и потребностями в деятельностном синтезе значительных объемов геометрических знаний;
между потребностью в высоком уровне развития пространственно-образного мышления, важной составляющей творческих способностей инженера и возможностями практически достигаемого уровня в рамках традиционного образования из-за отсутствия конструктивной и оптимальной модели образного мышления;
между потребностями в широком использовании результатов многочисленных дидактических исследований и возможностями их эффективного освоения и осознания, так как они оказываются дифференцированы по многочисленным теориям и концепциям, направлениям и подходам, а так же разнообразным, часто противоречивым научным школам.
Новые возможности системологии в сочетании с эффективным использованием методов системного анализа для разработки содержания обучения, дают основания для разрешения этих противоречий и создания новых, методологически направленных инженерных дисциплин, ориентированных на их использование в НИТ.
Объективно существующие противоречия позволили сформулировать проблему данного исследования, которая заключается в поиске путей и средств совершенствования содержания и методов обучения графо-геометрическим дисциплинам в направлении системной методологии, открывающей возможности разработки единого подхода к содержанию предметных областей и учебных дисцип-
лин, его представлению в системах искусственного интеллекта, а также к формированию педагогических систем.
Вышеизложенное определяет актуальность диссертационного исследования, призванного показать пути совершенствования качества обучения студентов графо-геометрическим дисциплинам в современных условиях внедрения НИТ.
Актуальность проблемы и её недостаточная разработанность обусловили выбор темы нашего исследования/ 'Разработка дидактических системных основ обучения графо-геометрическим дисциплинам в ВУЗе в условиях внедрения новых информационных технологий".
Отсюда вытекает цель исследований:_разработать, теоретически обосновать и экспериментально проверить состав и структуру современного содержания и методику проведения занятий в ВУЗе по циклу графо-геометрических дисциплин в условиях НИТ.
Объектом исследования является система образования и воспитания студентов технических ВУЗов.
Предмет исследования - системно-деятельностная методология формирования содержания и методов обучения студентов графо-геометрическим дисциплинам в условиях реализации НИТ.
Гипотеза исследования заключается в том, что системная организация содержания и методов обучения, направленная на развитие системного мышления, а также конструктивное использование современных средств системологии в интегрированном курсе "Геометрическое моделирование", будет способствовать, через более глубокое усвоение органически входящих в него графо-геометрических дисциплин, развитию образно-геометрического мышления, качественному овладению современной методологией
инженерной деятельности и воспитанию диалектического мировоззрения.
В соответствии с проблемой, целью и гипотезой были определены теоретические и прикладные задачи исследования:
разработать конструктивное системное представление деятельности как методологическое средство формирования состава и структуры "ядра" предметной области;
создать системную модель решения предметных задач, отвечающую требованиям новых информационных технологий;
разработать методику проектирования содержания обучения, отличающуюся от традиционных явным выделением "ядра" предметной области, в котором отражаются современные модели представления знаний;
разработать основные положения обобщенной методики обучения, отражающей в системной взаимосвязи разные концепции и теории обучения;
на основе предлагаемой системной методологии и полученных с ее использованием результатов сформировать учебную дисциплину "Геометрическое моделирование", содержание, методы и формы которой отвечают требованиям и возможностям новых информационных технологий.
Методологической и теоретической основой исследования явились труды известных философов и методологов: В.Г.Афанасьева, А.И.Аверьянова, Б.Г.Юдина, В.Н.Садовского, Г.П.Щедровицкого, М.С.Кагана , Дж.Клира ; фундаментальные труды по проблемам психологии и педагогики: Л.С.Выгодского, С.Л.Рубинштейна, А. Н.Леонтьева, П.К.Анохина, Д.Н.Узнадзе,
П.Я.Гальперина, В.В.Давыдова, В.П.Зинченко, Д.Б.Эльконина,
Ж.Пиаже , О.К.Тихомирова, Л.В.Занкова и других
Решению проблемы содействовало изучение и анализ следующих научных работ:
-основополагающие работы по теории учебно-воспитательного процесса: СИ. Архангельского, Ю.К. Бабанского, И.Я. Лернера, М.Н. Скаткина, Н.Ф. Талызиной, В.П.Беспалько, Й.Лингарта и др.;
-работы в области искусственного интеллекта и НИТ: Д.А.Поспелова, Г.П. Поспелова, Э.В.Попова, В.Н.Пушкина, Дж. Клира, Л.С.Болотовой и других;
-исследования по современной методологии инженерной деятельности, инженерному творчеству и изобретательству: Дж. К.Джонса, Я.Дитриха, Дж.Диксона, В.Г.Горохова, Г.С.Альтшуллера, Г.Я.Буша, Ф.Ханзена и других.
Теоретической и практической основой нашего исследования явились работы в области прикладной геометрии и инженерной графики: Н.Ф. Четверухина, И.И. Котова, К.И.Валькова, Н.Н.Рыжова, С.А.Фролова, В.С.Левицкого, А.В.Бубенникова, Г.С.Иванова, В.И.Якунина и других.
Тщательный анализ работ убедил нас в необходимости проведения исследования по совершенствованию качества обучения студентов через разработку учебной дисциплины «Геометрическое моделирование», отличающуюся системным представлением содержания и системно-деятельностной методикой обучения, которая предназначена для широкого использования средств НИТ.
Методы исследования, используемые для решения поставленных задач, это методы системного анализа, теории деятельности, дидактики, представления знаний в системах искусственного
интеллекта, современного инженерного проектирования, начертательной, аналитической, дифференциальной и вычислительной геометрии. По необходимости эти методы взаимосвязанно объединяются общностью смыслового содержания подходов различных уровней методологии.
На защиту выносятся.
Системные представления деятельности как методологическое средство решения задач исследования.
Методика формирования состава и структуры содержания учебного предмета выделением системного "ядра", соответствующей ему предметной области.
Обобщенная методика обучения, построенная на разработанной системе качественных и количественных характеристик системно представленного процесса усвоения и распределенная по организационным формам обучения в соответствии с их обоснованными функциональными возможностями.
Учебная дисциплина "Геометрическое моделирование", в которой через системно-деятельностные представления процесса геометрического моделирования установлена системная взаимосвязь графо-геометрических дисциплин, выявлена их направленность на современную методологию проектирования и находят отражения новые информационные технологии.
Научная новизна и теоретическая значимость исследования состоит в том, что разработаны:
конструктивные представления системы, на основе которых созданы системно-деятельностные представления;
системные представления процесса учения, позволившее обосновать выделение качественных и количественных характери-
стик процесса усвоения знаний, а также представить в системе различные типы и модели учения;
методика выделения в содержании учебных предметов основного "ядра" предметной области; как альтернатива традиционной методике отбора содержания;
основные положения новой дисциплины "Геометрическое моделирование", главными из которых являются разработка единых алгоритмов построения геометрических фигур, алгоритмов параметрического исследования, понятия геометрической системы как основы систематизации способов образования поверхностей, а также новых методик обучения, связывающих традиционные геометрические и компьютерные технологии.
Практическая значимость результатов, полученных в диссертационной работе, позволяет:
применять разработанные системные и системно-деятельностные представления для обработки и представления знаний предметных областей в системах искусственного интеллекта;
использовать предложенную методику формирования содержания учебных предметов для разработки методологически направленных инженерных дисциплин;
достичь нового качества обучения графо-геометрическим дисциплинам и целенаправленно повышать его уровень;
использовать методики адаптивного обучения продуктивной деятельности в современных обучающих системах-тьюдорах.;
использовать систему способов образования поверхностей и методов параметрического исследования при построении базы
знаний по геометрическому моделированию как подсистемы интеллектуальных САПР.
Реализация и внедрение результатов работы. Основные результаты работ нашли свое применение в курсе "Геометрическое моделирование", внедренном в Московском государственном институте радиотехники, электроники и автоматики для всех специальностей факультета "Кибернетика".
Достоверность полученных результатов и основных выводов исследования подтверждается общим методологическим подходом, нацеленным на решение комплекса выделенных проблем, соответствием теоретических и прикладных исследований объекту и предмету исследования и адекватностью поставленным задачам.
Апробация материалов исследования. Основные результаты работы докладывались и обсуждались, начиная с 1971 года по настоящее время, на различных, многочисленных конференциях и семинарах по психологии и дидактике, геометрии и графике, а так же по направлениям искусственного интеллекта и системных исследований.
Структура и объем диссертации. Теоретическое и прикладное решение проблемы определило структуру диссертации, которая состоит из введения, трех глав, заключения, библиографии и приложения.
Направления формирования и развития предметных областей знаний
В условиях возникновения многочисленных новых предметных областей знаний и эволюции традиционных дисциплин для инженерных специальностей, а так же в условиях их адаптации к новым информационным технологиям, проблема состава и структуры содержания любых учебных предметов, включая предметы графо-геометрического направления, не может быть не только решена, но и корректно поставлена без анализа существующих направлений развития предметных областей знаний и их взаимосвязи с решениями проблемы представления знаний в системах искусственного интеллекта.
В развитии любой предметной области можно выделить три основные стадии. На стадии зарождения предметной области появляются определенные противоречия в социальном опыте и возникают устойчивые потребности в их устранении, обеспеченные необходимыми условиями и средствами их удовлетворения. На второй стадии выделяются два этапа в формировании содержания предметной области: количественный и качественный. Первый этап связан с накоплением, относящихся к предметной области фактов, разработки соответствующих средств и способов решения специфических задач (развитие «вширь»). На втором этапе решается проблема упорядочения полученных в предметной области знаний, т.е. комплекс задач обобщения, классификации и систематизации (развитие «вглубь»). Взаимосвязи этих этапов строятся на диалектическом сочетании процессов дифференциации и интеграции. Завершающая стадия развития характеризуется либо ассимиляцией сформировавшейся предметной области другими предметными областями, либо исчезновением предметной области, как исчерпавшей свои возможности в направлении воспроизведения и развития социального опыта.
Современный этап развития социального опыта в целом, как этап упорядочения состава и структуры составляющих его предметных областей знаний, характеризуется переходом от сложных классификационных процессов к процессам систематизации знаний [88]. Основная роль в этом процессе отводится методологии, возможности которой во многом определены уровнем развития системных исследований [194].
В формировании предметных областей знаний выделяют два основных направления: формирование по предметному признаку и по проблемной ориентации. Возможны три основных процесса возникновения новых предметных областей по предметному признаку:
-разработка неизвестной прежде или ранее только зародившейся предметной области;
-выделение новой предметной области в процессе дифференциации внутри некоторой известной области знаний;
-формирование предметной области на основе взаимосвязи нескольких традиционных дисциплин в результате процесса интеграции [188].
К первому типу относится, например, космонавтика, образовавшаяся в связи с возникновением потребности и условий для исследования Земли и космического пространства. К этому же типу можно отнести также науковедение. Ко второму типу относится физика элементарных частиц, возникшая в качестве новой частной дисциплины наряду с существующими и установившимися дисциплинами в ходе дифференциации. К тому же типу следует отнести процесс возникновения психологии поведения, психологии личности и др. Третий тип процесса распространяется относительно быстро и по мере развития интеграционных процессов начинает играть ведущую роль. В пользу такого понимания говорит возникновение множества пограничных дисциплин, таких как физическая химия, геофизика, радиоастрономия, биомеханика, социальная психология и др.[88].
Для современного направления развития предметных областей всё более характерным становится переход от предметной к проблемной ориентации. Новые области знания возникают в связи с выдвижением определенных крупных социальных проблем, обеспеченных необходимым высоким качественным уровнем развития существующих областей знания. К этому направлению относится процесс становления экологии как науки об окружающей среде или области моделирования глобальных процессов развития, которую сегодня уже рассматривают как самостоятельную область научных исследований [103].
Конструктивные представления системы
Усложнение человеческой деятельности и, прежде всего, инженерной деятельности, связанное с усложнением исследуемых и создаваемых объектов вызвало необходимость появления и широкого распространения системных исследований во многих предмет-л ных областях .
Развитие системных исследований в свою очередь привело к созданию системного подхода, как результату осознания общих методологических проблем, которые выявились во многих сферах человеческой деятельности. Системный подход - это направление методологии специально-научного познания и социальной практики, ставящее своей задачей разработку методов и средств исследования сложноорганизованных объектов - систем. В качестве общих характеристик различных систем обычно выступает целостность, структура, разнокачественность элементов и их связей, связь со средой, иерархичность, множественность описания и т.п. Принципы и средства системного подхода, разработанные на этих общих основаниях, позволяют достигать качественно лучших результатов в инженерной, научной, социальной и других видов деятельности.
Определяющим в системном подходе является понятие системы. Наиболее общим определением этого понятия является следующее: система есть упорядоченное определенным образом множество элементов, взаимосвязанных между собой и образующих целостное единство [149]. Методологическая функция категории «система» заключается в том, что исследование любого объекта можно начинать не с нуля, а основываться на представлениях, единых для различных областей науки и техники. Это обеспечивает не только перенос необходимых знаний из разных предметных областей, но и организацию деятельности по достижению необходимых целей, с учетом всего имеющегося опыта. Функционирование элементов в системе и их назначение рассматривается как их взаимодействие в направлении получения определенного полезного результата для системы в целом.
В соответствии с системными принципами целостности, структурности и иерархичности многочисленные свойства различных объектов могут быть сведены к следующим системным характеристикам любого объекта, а именно:
- субстратные характеристики, то есть то, из чего состоит объект или, как сказал бы Аристотель какова «его материя», «материальная причина», «каково его вещество», какие компоненты (элементы) его составляют;
- структурные характеристики, т.е. способ внутренней организации, соединение компонентов друг с другом, образование объекта как целостности;
- функциональные характеристики, т.е. поведение объекта на основе взаимодействия его компонентов и их взаимодействие с внешней средой;
- генетические характеристики, раскрывающие способ возникновения, становление и развитие объекта;
Для понимания этих характеристик необходимы соответствующие представления, объясняющие системные особенности и сущность выделенных характеристик. К первым трем характеристикам относятся соответственно элементаристское, функциональное и структурное представления, «причем каждое из них не сводимо к другим и не выводится из них».
Для элементаристского представления исходным является множество элементов, своего рода атомов, не делимых на данном уровне анализа, определяемых некоторым набором свойств и связанных соответствующими отношениями. Это представление играет в основном номинальную роль и используется в задачах, связанных с поэлементной спецификацией изучаемого сложного объекта, что в большей мере соответствует методологической установке естественных и в меньшей мере технических наук. «Система оказывается чем-то вторичным по отношению к элементам, а элементы здесь выступают как нечто безразличное по отношению к системе. Только от способов «сборки» зависит то, элементами какой системы они окажутся» [21]. Основой такого подхода является гипотетико-дедуктивный метод и анализ как принцип научного познания. Ограниченность подобных подходов к представлению о системах показана в работе [74].
Для функционального представления исходным является образ биологического организма. При этом система характеризуется набором функций, обеспечивающих ее существование и развитие, что дает возможности расчленения системы на функциональные блоки, каждый из которых выполняет определенные функции. «Вопрос об этом возникает лишь тогда, когда рассматриваются конкретные способы осуществления функций, любой элемент не является необходимым и может быть заменен»[139]. Принципиальным здесь является заданность цели и критерия, что соответствует представлению целенаправленных систем и «отвечает стремлению рассматривать систему как объект управления»[741. Это представление особенно близко методологической установке технических наук, а так же широко используется при моделировании физиологических функций биологических систем, рассматриваемых с позиции теории управления [7]. В работе [139] говорится о недостаточности элементаристского и функционального представлений и отмечается возможность их естественного сочетания.
Методика проектирования содержания учебной дисциплины «геометрическое моделирование» выделением «ядра» соответствующей ей предметной области
Разработанные выше системно-деятельностные представления используются как конструктивное средство выделения в содержании учебных предметов "ядра" системно представляемой предметной области и создания методики формирования состава и структуры системного содержания, методов, средств, а также организационных форм методологически направленных дисциплин. Общие принципы этой методики конкретизируются и рассматриваются на примере проектирования состава и структур содержания & учебной дисциплины "Геометрическое моделирование" [45,48,52,53, 54,55,61]. В предлагаемой методике выделены три этапа.
На первом этапе выявляется объект предметной области, разрабатывается его системное описание, устанавливаются уровни и направления его развития. На этом же этапе формируется целостное представление предметной деятельности, определяющей структуру предметной области, в соответствующих ей фазах, стадиях и действиях. Обосновывается состав и структура содержания "ядра" предметной области, которое характеризуется сохранением инвариантности структуры целого при минимальном объеме содержания, отражающем основные направления его развития, что обес- печивает при усвоении этого содержания осознанность взаимодействия со всем объемом развивающихся знаний. Методологическим основанием решения проблем этого этапа становятся конструктивное понятие системы и системно-деятельностные представления (п. 2.1,2.2).
Второй этап относится к формированию развернутых алгоритмических предписаний всех трех фаз предметной деятельности по решению выделенного комплекса соответствующих задач. Обосновывается выбор необходимых общенаучных эвристик их решения. Одновременно решается целый комплекс задач, выделенных при анализе состояния представляемой предметной области, составляющих его разделов и тем, которые ранее не имели решения или не были востребованы. На этом этапе создается эскиз базы знаний предметной области и формируется структура содержания соответствующей её учебной дисциплины. Методологическим основанием решения проблем этого этапа является системно-деятельностная модель решения задач (п.2.3).
На третьем этапе по сформированному "ядру" предметной области разрабатывается содержание соответствующего ему учебного предмета. По согласованию трех типовых моделей "пользователя", по которым предварительно структурируется содержание, с заданной моделью специалиста формируются обобщенные цели учебной дисциплины, уточняется логическая структура содержания учебного предмета. Разрабатываются соответствующие обучающие подсистемы, содержание которых отражается в вариантах методического комплекса. Методологическим основанием последнего этапа становятся разработанные системно-деятельностные представления процесса обучения (п.2.4).
Для дисциплины "Геометрическое моделирование" на первом этапе формируется системное представление геометрической модели, которое отражается в разработанном понятии геометрическая система (п.2.1).
В представлении геометрической системы за исходную систему выбирается непрерывное п - параметрическое множество точек, на котором определено соответствующей системой аксиом отношение расстояние между точками (пространство как универсальное множество точек соответствующей размерности). В качестве системообразующего противоречия тождественных по структуре, но противоположных по функциям элементов выбирается различие между переменными и постоянными элементами (точками). На следующем уровне порождающей системы геометрическая система (геометрическая фигура - г.ф.) представляется полным СКС:
S - предмет: исходное непрерывное п - параметрическое множество точек с определенным на нем отношением расстояния, из которых образуется г.ф. (исходное множество г.ф.);
С - средство: совокупность фиксированных геометрических фигур, выделенных из исходного множества, относительно которых образуется г.ф. (базис г.ф.);
F - свойство: система свойств отношений, связывающих элементы исходного множества и элементы базиса, соответствующие заданной г.ф. и выраженные средствами алгебры, анализа или геометрии (закон г.ф. - вход);
R - результат: геометрическая фигура, соответствующая заданным свойствам (г. ф. - выход) (таблица 1)
