Содержание к диссертации
Введение
1. РАЗВИТИЕ СОДЕРЖАНИЯ ШКОЛЬНОГО КУРСА ИНФОРМАТИКИ 13
1.1. Анализ эволюции целей и содержания предмета школьной информатики 14
1.2. Значение обучения информационному информационно-логическому моделированию в курсе школьной информатики 32
1.3. Применение информационных технологий в обучении 44
Выводы 48
2. ОБУЧЕНИЕ КАК ФОРМА ИНФОРМАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ОБЪЕКТА ПОЗНАНИЯ 49
2.1. Проблемы моделирования и обучения 51
2.2. Моделирование мыслительной деятельности в психологии и логике 55
2.3. Знаковые системы и информационное моделирование 61
2.4. Модель данных и проблемы информационного моделирования 80
Выводы 92
3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ОБУЧЕНИЯ НА ОСНОВЕ ИНФОРМАЦИОННЫХ И ИНФОРМАЦИОННО-ЛОГИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ 94
3.1. Модели данных, место и роль их в информационном моделировании 97
3.2. Информационная модель и информационное моделирование 115
3.3. Поведение объектов и информационное моделирование 146
3.4. Информационно-логическое моделирование в формировании знаний у учащихся 157
3.5. Описание поведения объектов и информационно-логическое моделирование 175
3.6. Математическое моделирование 181
Выводы 185
4. ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ - ИНСТРУМЕНТ ИНФОРМАЦИОННОГО И МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ 188
4.1. Компьютерное моделирование как форма реализации информационных моделей 189
4.2. Педагогические аспекты применения информационных технологий в обучении 201
4.3. Программно-педагогическое средство "МОДЕЛЬ" 207
4.4. Педагогический эксперимент 213
Выводы 225
5.МОДЕЛЬ ОБУЧЕНИЯ И СОЗДАНИЕ ОБУЧАЮЩИХ ЭКСПЕРТНЫХ СИСТЕМ 226
5.1. Проблемы создания обучающих экспертных систем 227
5.2. Формализация знаний и автоматизация обучения 231
5.3. Структура обучающей экспертной системы 237
5.4. Формирование модели обучения 243
Выводы 250
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ 251
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 255
ПРИЛОЖЕНИЕ! 273
- Анализ эволюции целей и содержания предмета школьной информатики
- Проблемы моделирования и обучения
- Модели данных, место и роль их в информационном моделировании
Введение к работе
Одним из важнейших механизмов, затрагивающих все основные направления реформирования образовательной системы России, является ее информатизация, которая рассматривается как необходимое условие и важнейший этап информатизации России в целом. Основой перехода от индустриального этапа развития общества к информационному являются современные информационные технологии (ИТ). В частности, информатизация образования позволяет эффективно использовать такие важнейшие преимущества ИТ, как:
- совершенствование процесса познания путем усиления роли системного мышления;
- эффективную организацию познавательной деятельности обучаемых на основе обработки и передачи учебной информации;
- возможности реализации деятельностного подхода к учебному процессу во всех его звеньях (потребности - мотивы - цели-условия - средства - действия - операции);
- индивидуализация учебного процесса при сохранении его целостности за счет программируемости и динамической адаптируемости программных средств учебного назначения;
- возможность использования и организации принципиально новых познавательных средств.
Информатизация образования рассматривается как одно из важнейших средств реализации новой государственной образовательной парадигмы, в рамках которой происходит пересмотр ориентиров: с прагматических узкоспециализированных целей на приобретение фундаментальных междисциплинарных знаний. Приоритетами новой образовательной парадигмы являются:
- фундаментальность, что подразумевает ориентацию на выявление сущностных оснований и связей между процессами окружающего нас мира;
- целостность, предполагающая внедрение в образование единых циклов фундаментальных дисциплин, объединенных единой целевой функцией и ориентированных на междисциплинарные связи;
- ориентация на интересы развития личности обучающегося.
Развитию образования на основе использования современных ИТ были посвящены работы авторов: Кузнецова А.А, Савельева А.Я., Антипова И.Н., Леднева B.C., Матросова В.Л., Ваграменко Я.А., Роберт И.В., Румянцева И.А., и др. Результаты работ выше названных авторов нашли применение в разработке стандартов и программно-методических комплексов обучения информатике.
Нужно отметить, что применение информационных технологий в обучении в России ведется уже давно, начиная с середины 70-х годов. Бурное развитие вычислительной техники, программного обеспечения, средств телекоммуникации в последнее время привели к тому, что в настоящее время информационные технологии обучения претерпевают серьезные изменения. Под технологией обучения понимается способ реализации содержания обучения, предусмотренного учебными программами, представляющий собой систему форм, методов и средств обучения, обеспечивающих достижение поставленных дидактических целей [156].
Отличительным признаком современных ИТ, используемых в обучении, является специфическая среда, в которой они осуществляются, и связанные с ней компоненты: технический; программно-технологический (программные средства поддержки реализуемой технологии обучения); организационно-методический; психолого-педагогический; предметная область знаний. Все это привело к разработке и использованию интегрированных сред, поддерживающих разнообразные информационные составляющие: тексты, диалоги, схемы, изображения объектов; различные модели изучаемых объектов и явлений, баз данных и знаний (на их основе экспертных обучающих систем); систем поддержки профессиональных действий (автоматизированного проектирования, инженерных расчетов, информационно-поисковых, справочных) [150]. Применение информационных технологий в образовании, ориентированных на реализацию психолого-педагогических, дидактических целей обучения и воспитания, приводит к необходимости:
- постоянного совершенствования методологии, стратегии отбора содержания, методов и организационных форм обучения, воспитания, соответствующих задачам развития личности обучаемого в современных условиях информатизации общества;
- разработки методологии обучения, учитывающей все более возрастающие возможности современных вычислительных машин в области информационного и математического моделирования;
- разработки методических систем обучения, ориентированных на развитие интеллектуального потенциала обучаемого, на формирование умения самостоятельно приобретать знания и осуществлять разнообразные виды самостоятельной деятельности по обработке информации;
- разработки методических систем обучения, опирающихся на использование компьютерных педагогических средств (обучающих, контролирующих, демонстрационных и т.д.) на основе современных информационных технологий (в частности, систем искусственного интеллекта).
Современные ИТ основываются на применение ЭВМ. Современные ЭВМ обладают большими вычислительными возможностями для обработки и отображения формализованных знаний и создают условия для разработки более совершенных форм организации знаний и применения их в обучении. Однако современная педагогическая наука не готова в полной мере к обучению методам формализации знаний в школьном курсе информатике. Это не позволяет учащимся эффективно использовать современные ИТ в их дальнейшей профессиональной деятельности. При этом современные методики обучения недостаточно полно используют возможности ЭВМ, что приводит к возникновению противоречия между уже достигнутым уровнем развития ИТ и сложившимися к этому времени методиками и технологиями обучения. Разрешение этого противоречия состоит в создании новых образовательных технологий, направленных на решение собственно образовательных задач, глубоко осмысленных с позиции педагогической науки и теории обучения.
Развитием методической системы обучения информатики занимались авторы Кузнецов А.А., Кузнецов Э.И., Первин Ю.А., Лапчик М.П., Монахов В.М., Антипов И.Н., Кушниренко А.Г., Гейн А.Г., Захарова Т.Б. и др.. Однако в работах указанных авторов еще не получили должного отражения вопросы методики обучения формализации знаний о различных предметных областях. Это позволяет сделать вывод, о необходимости научных исследований в этом направлении, так как овладение учащимися этими методами позволит более эффективно использовать современные ИТ в их дальнейшей профессиональной деятельности.
Следствием существования противоречия между уровнем развития ИТ и уровнем применения их в обучении информатике является проблема поиска в сложившихся условиях более эффективных образовательных технологий. Один из путей решения проблемы связан с созданием методики обучения методам формализации знаний на основе информационного и информационно-логического моделирования. Информационная модель есть точное описание предмета изучения с помощью естественных или специальных языков, которое опирается на чувственное и теоретическое мышление. Информационно-логическая модель рассматривается как результат обобщения конкретных знаний о предметах и явлениях, представленных в информационной модели.
Вопросам обучения методам формализации знаний на основе информационного моделирования посвящены работы В.К.Белошапки, А.А.Кузнецова, А.С.Лесневского, С.А.Бешенкова, А.В.Горячева, И.И.Зубко и других авторов. Вместе с тем приходится констатировать, что до настоящего времени данная проблема изучена не в полной мере и требует дальнейших исследований и своего решения. Недостаточно точно определены роль и место информационного и информационно-логического моделирования в курсе информатики. Не разработаны содержание курса информатики, которое наиболее полно учитывает вопросы обучения формализации знаний на основе информационного и информационно-логического моделирования, методики и технологии обучения, включающие методы моделирования знаний из различных предметных областей.
Актуальность исследования определяется необходимостью развития всей методической системы обучения информатике, в частности, ее содержания в области формализации знаний из разных предметных областей, совершенствования технологий обучения на базе современных ИТ. Таким образом, актуальность исследования обусловлена следующими причинами: 1. Применением современных ИТ в образовании для реализации психолого-педагогических, дидактических целей обучения и воспитания, что в свою очередь приводит к необходимости:
- постоянного совершенствования методологии и стратегии отбора содержания, методов и организационных форм обучения, воспитания, соответствующих задачам развития личности обучаемого в современных условиях информатизации общества;
- разработки методических систем обучения, ориентированных на развитие интеллектуального потенциала обучаемого, на формирование умения самостоятельно приобретать знания, осуществлять разнообразные виды самостоятельной деятельности по обработке информации;
- создания и использования педагогических программных средств (обучающих, контролирующих, демонстрационных и так далее) на основе современных информационных технологий (в частности, систем искусственного интеллекта).
2. Массовым использованием современных ИТ (баз данных, баз знаний, различных редакторов, автоматизированных информационных систем, систем автоматизированного проектирования и т.д.) в решении широкого класса задач из различных сфер человеческой деятельности. Это привело к необходимости формализации знаний для разных предметных областей и, как следствие этого, увеличение объема знаний в области информатики. Таким образом, возникает необходимость создания единой системы понятий для представления знаний о разных приложениях, позволяющей существенно уменьшить объем знаний, изучаемых в курсе информатики. В информатике такая система понятий находит отражение в понятиях информационной и информационно - логической модели. Изучение таких моделей служит пропедевтикой для эффективного применения современных ИТ. Указанные модели широко используются при проектировании баз данных, баз знаний, различных информационных систем.
3. Функциональными возможностями (быстродействием, объемами оперативной и внешней памяти, видео и аудио средствами, телекоммуникацией) современных ЭВМ, которые ежегодно возрастают, что приводит к возникновению противоречия между уже достигнутым уровнем развития ИТ и сложившимися к этому времени методиками и технологиями обучения. Разрешение этого противоречия состоит в создании новых образовательных технологий, направленных на решение собственно образовательных задач, глубоко осмысленных с позиции педагогической науки и теории обучения.
Цель исследования состояла в развитии методической системы обучения информатике в школе. Частными целями исследования являются: совершенствование содержания предмета информатики на основе применения информационного и информационно-логического моделирования для формализации знаний о предмете, разработка структуры и содержания профильного курса "Информационное и информационно-логическое моделирование" с программным обеспечением, разработка методов создания обучающих технологий и экспертных обучающих программ.
Объект исследования - совершенствование методической системы обучения информатике в условиях информатизации образования.
Предмет исследования - во-первых, методика обучения формализации знаний на основе информационного и информационно-логического моделирования и во-вторых, - методы создания обучающих технологий на базе современных ИТ.
Методологической основой исследования явились фундаментальные работы в области философии, образования и методологии психолого-педагогической науки (Бабанский Ю.К., Беспалько В.П., Давыдов В.В., Галез М., Гальперин П.Я., Горский Д.П., Краевский В.В., Лернер И.Я., Пиаже Ж., Фридман Л.М., Скаткин М.Н., Рубцов В.В., Рубенштейн С.Л., Петров Ю.А., Эльконин Д.Б), теории, методологии и практики информатизации образования (Борк А., Ершов А.П., Велихов Е.П., Ваграменко Я.А., Антипов И.Н., Жданов С.А., Кузнецов А.А., Кузнецов Э.И., Лапчик М.П., Леднев B.C., Матросов В.Л., Пейперт С, Первин Ю.А., Роберт И.В.), создания и использования средств обучения на основе современных информационных технологий (Апатова Н.В., Ваграменко Я.А., Зобов Б.И., Савельев А.Я., Назарова Т.,С, Роберт И.В. ), области искусственного интеллекта (Кулибэ М, Нильсон А., Поспелов Д.А., Поспелов Г.С., Уинстон П., Форсайт Р., Элти Дж.).
В процессе исследования использовались:
- методы теоретического анализа и синтеза для разработки концепции исследований, при изучении и обобщении литературных источников, учебно-методического и программного обеспечения курса информатики, инструментальных средств разработки прикладных программ;
- методы системного анализа, информационного и математического моделирования;
- методы выявления приоритетных направлений исследований, разработки, использования современных ИТ в информатизации образования;
- методы информационно-логического моделирования разных предметных областей;
- экспериментальная работа в процессе апробации и анализа эффективности предлагаемой методологии обучения информатике в экспериментальной гимназии и вузе.
Гипотеза исследования. Если в основу обучения информатике будут положены методы информационного и информационно-логического моделирования на основе современных ИТ, то это обеспечит:
- интеграционные тенденции развития познания закономерностей из разных предметных областей, учет межпредметных связей и выработку у учащихся широкого, универсального взгляда на всю совокупность изучаемых наук, воссоздания у них единой научной картины мира;
- получение учащимися представления об основных методах моделирования и их применении;
- формирование умений и навыков обоснованно выбирать и конструировать соответствующую данной предметной области модель (знаний) и применение ее для построения информационных и информационно -логических моделей;
- реализацию организационных форм и методов обучения, ориентированных на выполнение разнообразных видов самостоятельной учебной деятельности с объектами предметной области,
- создание на основе информационного и информационно-логического моделирования единой системы понятий для представления знаний о разных приложениях, что позволит существенно уменьшить объем знаний, изучаемых в курсе информатики;
- эффективное применение современных ИТ в обучении и в использовании баз данных, баз знаний и различных информационных систем.
Цель и гипотеза исследования определили следующие задачи:
1. провести анализ существующих тенденций в области информатизации образования, стандартов, учебных программ и методов обучения на базе современных ИТ;
2. выполнить анализ познавательной деятельности обучаемого с позиции педагогики, психологии, теории познания, теории управления;
3. определить роль информационного и информационно-логического моделирования в обучении информатики и разработать целостную систему понятий, отражающую наиболее существенные закономерности исследуемого предмета и концепцию обучения профильному школьному курсу информатики;
4. определить содержание профильного школьного курса информатики на основе информационного и информационно-логического моделирования и разработать методы его преподавания;
5. разработать педагогические аспекты применения ППС в обучении на основе информационного и информационно-логического моделирования;
6. разработать принципы создания обучающих технологий на базе экспертных обучающих систем.
Научная новизна и теоретическая значимость исследования состоит в развитии теоретических положений в области методики преподавания информатики на основе информационного и информационно-логического моделирования, а именно :
- определены место и роль информационного и информационно - логического моделирования в познавательной деятельности учащихся;
- сформулированы положения теории информационного и информационно -логического моделирования в обучении информатике (разработан понятий аппарат на основе объектной модели данных для обучения информационному и информационно-логическому моделированию, предложены методы описания информационной и информационно логической моделей, разработаны соотношения между информационной, информационно-логической и математической моделями);
- предложена общая модель обучения (модель управления познавательной деятельностью) на основе информационного и информационно-логического моделирования, которая включает модель знаний предметной области и модель обучаемого, а также механизмы обучения;
- предложены принципы построения, структура экспертной обучающей системы, применение которой позволит автоматизировать формирование алгоритмов обучения.
Практическая значимость результатов исследования состоит в том, что предложены методики и технологии обучения на основе использования информационных и информационно - логических моделей, определено содержание школьного профильного курса информатики "Информационное и информационно-логическое моделирование" и программно-педагогические средства.
Выводы и предложения по результатам исследования могут быть использованы для дальнейшего совершенствования методики преподавания информатики в школе, а также в процессе подготовки педагогических кадров.
Анализ эволюции целей и содержания предмета школьной информатики
Для более эффективного использования возможностей вычислительной техники при любой форме взаимодействия необходимо владеть определенным стилем мышления, определенными навыками умственных действий. Одним из наиболее существенных навыков является умение строить информационные структуры для описания объектов и систем. Необходимо отметить, что основные научные направления информатики образуют такие дисциплины, как вычислительная техника, теория алгоритмов, теория информации, программирование, искусственный интеллект, информология и т.д.. Под информологией понимается передача и обработка информации в отдельных социумах и человеческом обществе в целом. Информация, являясь общенаучной категорией, сближает некоторые разделы информатики с философией, что позволяет применять идеи и методы информатики для изучения информационного взаимодействия в биологических, социальных и природных системах. А.П. Ершов определяет знания и навыки, которыми учащиеся должны владеть после изучения курса школьной информатики [54]. К таким знаниям и навыкам он относит:
- знание грамотной постановки задач;
- умение формализованного описания поставленных задач, наличие
элементарных знаний о методах математического моделирования и умение
строить математические модели поставленных задач;
- знание основных алгоритмических структур;
- понимание устройства и функционирования ЭВМ, навыки составления программ;
- использование пакетов прикладных программ;
- умение грамотно интерпретировать результаты решения практических задач с помощью ЭВМ и применять их в практической деятельности.
В работе [55] авторы отмечают, что содержание общеобразовательного курса информатики можно разделить на четыре относительно самостоятельные части: 2 - 4-й классы - (совокупность фундаментальных навыков, знаний, понятий и представлений, необходимых для формирования профаммистского стиля мышления); 4 - 8-й классы - (совокупность прикладных навыков и умений, необходимых для применения идей и методов информатики в других отраслях человеческой деятельности); 9-й класс - (система основных положений информатики как науки в соответствии с ее местом в современной системе научных знаний); 10-й класс - (комплекс знаний, необходимых для общей ориентации в возможностях современной и перспективной вычислительной техники, прикладных знаний о стандартных языках и системах). В требованиях к языку начального обучения программированию дается методически обоснованная система основных понятий и представлений, которые должны быть усвоены школьниками в рамках общеобразовательного курса информатики и, следовательно, должны быть отражены в конструкциях языка. Е.П.Велихов [24] предлагает выделять фундаментальные первоначальные знания в школе в области информатики. Это знания, которые группируются вокруг понятий "алгоритмы", "программа", возникшие до появления информатики и близкие к математическим знаниям. Он отдельно выделяет знания, относящиеся к простейшему использованию компьютеров, такие, как работа с текстовым редактором. Базисными навыками при этом являются: умение пользоваться клавиатурой; представление об устройстве и принципах работы ЭВМ; умение писать простейшие программы, но не готовить профессиональных программистов. Учащиеся должны иметь представление об областях применения и возможностях ЭВМ, социальных последствиях компьютеризации общества.
Перспективы развития школьной информатики автор видит в снижении ее в младшие звенья, применении компьютера для решения задач из разных предметных областей, умении строить информационную модель решаемой задачи обучения, автоматизации процесса обучения, умении учащегося самому "закладывать знания в компьютер", то есть выступать в роли учителя.
А.А.Кузнецов [88] объективные трудности в преподавании школьного курса информатики видит в том, что "...становление информатики как области научного знания еще не закончено, нет единого мнения о предмете информатики, месте в системе наук. Отсутствует единство в понимании предмета, целей и места в школьном образовании информатики как учебной дисциплины". Выделяется общенаучный характер знаний по информатике, его мировоззренческая функция, состоящая в формировании научных представлений о мире. Отмечается, что эта функция информатики как учебного предмета пока явно недостаточно реализована в содержании действующего курса информатики. Опыт преподавания предмета "Информатика и ВТ" и осознание по новому его мировоззренческого потенциала делают необходимым выделение дополнительных этапов в процессе обучения в школе основам информатики и формированию информационной культуры. Особое внимание заслуживает содержательная линия, связанная с вопросами адекватного описания реальных объектов и явлений, проведения компьютерного эксперимента. Это должно обеспечить учащимся возможность:
- получить представление о моделировании как о методе научного познания;
- получить представление об основных типах моделирования (физическое, математическое, информационное);
- получить представление о роли языков описания моделей;
- понять смысл отношений "объект - модель - язык";
познакомиться с простейшими информационными моделями,
возможностями их "поведения" на компьютере [88]. Отсюда вытекают требования к уровню подготовки учащихся. Это: наличие представления о методе моделирования; основных типах моделей; умение строить модели простейших информационных систем.
Проблемы моделирования и обучения
Основным методом познания является моделирование - метод исследования объектов познания по их моделям. Модель рассматривается как эмпирический или абстрактный образ предмета изучения. Получение знаний о предмете изучения предполагает формирование в сознании обучаемого различных моделей этого предмета. Моделирование предполагает построение и изучение моделей реально существующих и идеальных предметов и явлений. Цель моделирования:
- получение на основе модели нового знания об объекте познания;
- сохранение и передача знаний об объекте познания.
Моделирование предмета изучения предполагает построение и исследование модели, воспроизводящей геометрические, физические, динамические либо функциональные свойства оригинала.
Многие авторы рассматривают мыслительную (познавательную) деятельность как моделирование в человеческом мозгу образа предметной области [3, 179, 208, 209], поэтому организация процесса моделирования становится одним из направлений изучения мышления в логике и психологии. Попытку интерпретировать мышление как совокупность динамических мозговых модулей предпринял Я. А. Пономарев [151]. Автор различает психологический аспект изучения мышления (взаимодействие субъекта с объектом) и логический анализ строения знаний.
Психологический процесс познания вовлекает как чувственное отражение, так и абстрактное и реализуется с помощью первичных (чувственных) и вторичных (означенных) моделей - знаковых моделей [208]. Это предполагает выделение в первичной модели предметной области элементов, которые отражают характер взаимодействия субъекта с объектами предметной области. При этом отношения или действия над элементами первичной модели не зависят от отношений или действий над объектами -оригиналами. Однако мышление стремится к адекватному отражению их в сознании человека в виде отношений или действий, определенных состоянием нашего сознания. Это является необходимой предпосылкой для абстрагирования (отвлечения) от конкретного содержания элементов и требует изучения лишь отношений между элементами и законов получения знаний. Так возникает знаковая логическая модель, отражающая недоступные непосредственному восприятию (первичной модели) связи и свойства в виде понятий, суждений, умозаключений. Здесь мы сталкиваемся с переходом от сущности первого порядка к сущности второго порядка [3, стр.228].
Логическая модель абстрагируется от характера протекания процесса мышления в сознании человека, предполагает существование организации и форм мышления, независимых от индивидуума, и отвечает на вопрос "как человек должен мыслить" [208]. Психологическая модель описывает организацию мышления человека и роль различных органов в процессе мышления. Психологическая модель описывает процесс мышления так, как в действительности он протекает в сознании человека.
В соответствии с этим всякая психологическая модель имеет базисную и надстроечную части. Базисной частью она обращена к первичным моделям, надстроечной - к логическим моделям. Она становится логической в момент выражения ее надстроечной части в виде знаковой модели, т.е. отражения слитного в первичной модели взаимодействия с объектом познания в виде выделенной совокупности логических элементов и действий (например, когда надо передать решение другому человеку). Поиск решения задачи выполняется не в форме формально-логических операций, а осуществляется в соответствии с семантическими (содержательными) критериями. При решении задач происходит постоянное отображение результатов психологического процесса в его логический образ и обратно. Таким образом, в процессе мышления поддерживается непрерывное соответствие между двумя моделями мышления, однако между ними не существует полного тождества. В психологической модели отражаются индивидуальные особенности мышления каждой отдельной личности. Это означает, что на ее основе изучаются свойства психических процессов, взаимодействий частей мозга, побудительные мотивы и особенности мыслительной деятельности [40].
Модели данных, место и роль их в информационном моделировании
Любая модель данных обеспечивает формальную (нотационную и семантическую) основу для разработки инструментария и методов логического моделирования данных, используемых для поддержки информационного и информационно-логического моделирования. Методы обучения моделированию данных предполагают наличие необходимых инструментариев, языков для описания данных, знаний и манипулирования ими.
ДейтК.Дж. [46, с Л 44] сформулировал принцип интерпретации, который гласит: " Модель данных должна иметь общепринятую и полезную интерпретацию, т.е. ее объекты, правила целостности и операции должны иметь общепринятое соответствие явлениям в реальном мире". Однако такой подход не учитывает роли модели данных как средства обработки и не может носить необходимый характер [30]. В связи с этим модели данных подразделяются на концептуальные (понятийные) модели данных, основанные на системе понятий характерных для человеческого мышления, и даталогические модели данных, система понятий, которых наиболее полно отражает специфические потребности их теоретического исследования, организации хранения и обработки данных на ЭВМ. Таким образом, наряду с представлением предметной области необходимо иметь возможность абстрагироваться от способа получения новых понятий, основанных на ранее полученных данных и хранящихся в виде информационной модели.
Наиболее естественными с точки зрения обучения являются концептуальные модели данных, основанные на использовании системы понятий, характерных для человеческого мышления. К таким моделям данных относятся различные разновидности объектно-ориентированных моделей данных [20, 121, 203, 204, 210], в частности, ER-модель ("сущность-связь"), IDEF1-модель и различные их расширения [46, 121, 203, 204].
Большинство концептуальных моделей данных поддерживает основные понятия: сущность, объект, свойство, отношение, операция и ограничение. Понятие объекта рассматривается как понятие, связанное с конкретным предметом, процессом или явлением. Сущность рассматривается как понятие, которое обозначает совокупность всех сторон и связей (законов), свойственных предметам, взятых в их естественной взаимосвязи, в жизни, в отличие от процесса или явления, которое есть обнаружение сущности через свойства и отношения [80, стр.578]. Сущностью может быть и объект, и свойство, и связь (отношение). Результатом изучения проблем семантического моделирования в информатике и программировании явилась разработка моделей и методов информационного моделирования. К ним относятся ER-модели (модели "сущность-связь") [15, 25, 121, 129, 203], модели структурного системного анализа [25, 68], целый спектр объектно-ориентированных моделей и методов проектирования: метода Кода-Йордана [132, 219], метода Шлеер-Меллора [132, 210], ОМТ - технологии (Object Modeling Techique - техника моделирования объектов) [132, 222], метода Буча [20] и т.д. Наиболее существенные свойства объектного подхода нашли выражение в модели, предложенной Ченом (ER-модели). Элементы этой модели нашли применение в создании широко известной методологии проектирования информационных моделей IDEF1 (Integrated DEFinition - интегральное описание) [25, 68, 132] и объектно-ориентированных технологиях проектирования, используемых при разработке структур баз данных и программного обеспечения. Основными понятиями ER-модели являются понятие сущности (абстрактного объекта), атрибута (свойства) и связи (отношения). Следует отметить, что в ER-модели понятие сущности рассматривается как абстрактный объект. Конкретный объект предметной области рассматривается как экземпляр сущности. Для обозначения экземпляра сущности в информационной модели используется уникальный набор свойств (атрибутов) - ключ. Задание конкретных значений свойств, образующих ключ, позволит однозначно построить идентификатор (поисковый ключ) конкретного экземпляра. В теории баз данных [45, 148, 190] свойства (атрибуты), входящие в ключ, называются первичными атрибутами, а свойства, которые не принадлежат ключу, называются непервичными атрибутами [45, 190]. Результатом теоретических и экспериментальных исследований в области информационного и информационно-логического моделирования явилась разработка большого многообразия моделей данных для проектирования баз данных и создание современных систем управления базами данных [46,121,205,206]. Факт существования такого многообразия моделей данных ставит преподавателя информатики перед необходимостью выбора модели для обучения. Выбор модели данных для целей обучения требует ответа на следующие вопросы:
1. Используются ли в модели данных понятия, не соответствующие естественному восприятию учащимися реальной действительности?
2. Требуется ли учащимся выполнять операции для построения понятий информационной модели, не характерные для определенного этапа развития его мышления?
3. Является ли система понятий модели данных оптимальной с точки зрения количества знаков, используемых для задания информационных моделей приложений?
4. Можно ли для заданной предметной области при использовании заданной модели данных добиться от разных учащихся построения одинаковых информационно-логических и информационных моделей (помимо различия в обозначениях)?
5. Позволяет ли модель данных абстрагироваться от элементов, используемых в реализации информационной модели на ЭВМ?
