Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Особенности обучения информатике будущих преподавателей химии и биологии 12
1.1. Современные подходы к обучению информатике будущих учителей химии и биологии 12
1.2. Виртуальные лаборатории и возможности их использования в образовании 29
1.3. Графическое программирование как технология создания виртуальных лабораторий, ориентированных на обучение информатике будущих учителей химии и биологии 39
1.4. Применение технологии графического программирования Lab VIEW в обучении информатике студентов педагогических специальностей вузов 61
ГЛАВА 2. Формирование системы обучения информатике будущих учителей химии и биологии 77
2.1. Определение целей и принципов подготовки по информатике будущих учителей химии и биологии 77
2.2. Разработка содержания и методов обучения информатике будущих учителей химии и биологии, основанных на использовании технологии графического программирования 93
2.3. Программные и технические средства, применяемые в обучении будущих учителей химии и биологии технологии графического программирования LabVIEW 116
2.4. Проверка эффективности использования графического программирования при обучении информатике будущих учителей химии и биологии 134
Заключение 145
Литература 148
Приложение 1 171
- Виртуальные лаборатории и возможности их использования в образовании
- Применение технологии графического программирования Lab VIEW в обучении информатике студентов педагогических специальностей вузов
- Разработка содержания и методов обучения информатике будущих учителей химии и биологии, основанных на использовании технологии графического программирования
- Проверка эффективности использования графического программирования при обучении информатике будущих учителей химии и биологии
Введение к работе
Актуальность исследования. Приоритетным направлением развития современной педагогической науки является совершенствование подготовки студентов педагогических вузов, ведущее к осознанному, эффективному и творческому использованию средств информационных технологий. Возрастающая потребность в специалистах, способных эффективно использовать информационные технологии, ставит новые задачи в организации и модернизации общего и специализированного образования и, как следствие, собственно процесса подготовки преподавателя, способного решать новый класс профессиональных задач.
К настоящему времени уже создан значительный теоретический фундамент, позволяющий в достаточно широком контексте рассматривать проблему информатизации образовательного процесса, выявлены психологические основы использования компьютерной техники в учебном процессе. Вместе с тем ряд вопросов подготовки студентов естественнонаучных факультетов педагогических вузов в области методики обучения и воспитания школьников в условиях информатизации образования проработан в недостаточной мере. В частности, возникает необходимость критического осмысления отечественного и зарубежного опыта подготовки по информатике будущих учителей химии и биологии.
В настоящее время для подготовки таких педагогов используются достаточно общие по своему характеру системы обучения информатике, предназначенные для педагогических вузов, в целом. В числе авторов, посвятивших свои научные труды становлению и развитию курса информатики для педагогических вузов, можно отметить Т.А. Бороненко, С.Г. Григорьева, В.Е. Жужжалова, А.А. Кузнецова, М.П. Лапчика, И.В. Левченко, А.В. Могилева, Н.И. Пака, Е.К. Хеннера и других.
Среди авторов работ, посвятивших свои научные исследования качественному улучшению методологической базы профильного обучения будущих учителей химии, следует отметить Е.Я. Аршанского, Е.И Евстафьеву, Ю.В. Железнякову С.Н. Милюкову, М.К. Толетову, И.А. Тюлькова, Г.А. Шипареву и других. Основам профильного обучения будущих учителей биологии посвятили свои труды Н.С. Бендиковская, О.Ю. Бурцева, Ю.В. Жданова, Н.М. Лисун, Е.А. Никишова, Е.А. Филиппов, Г.Г. Швецов и другие.
Большинство подобных работ не затрагивают возможности применения современных информационно-коммуникационных технологий (ИКТ) при обучении будущих учителей химии и биологии, в то время как полноценное современное образование невозможно представить без постоянно усиливающегося влияния ИКТ и относимых к ним электронных образовательных ресурсов (ЭОР) на формирование содержания и методологии подготовки будущих педагогов. Этот факт подтверждается в работах Е.С. Артемьева, Г.И. Егоровой, А.А. Журина, Е.Б. Ивановой, А.Н. Левкина, В.Н. Лихачева, О.В. Рогожина, О.В. Романовой, А.А. Сыромятникова, Т.П. Третьяковой применительно к подготовке учителей
химии и в работах Е.С. Гладкой, Т.И. Крылова, А.С. Лысенко, О.Н. Стефаненко, Е.А. Филиппова применительно к подготовке учителей биологии.
Работа педагога в школьном классе химии или биологии связана с навыком проведения демонстраций различного рода явлений, например, химических реакций или развития организмов под влиянием факторов роста, а также клеточных превращений, наблюдаемых лишь при наличии соответствующего оборудования. В связи с этим особое место при подготовке педагогов в области химии и биологии занимают информационные технологии, связанные с созданием наглядных виртуальных демонстраций. Существенными возможностями с точки зрения проведения демонстраций обладают виртуальные лаборатории, создание которых может осуществляться с использованием технологии графического программирования. С учетом этого особенности их разработки и использования должны найти соответствующее отражение при подготовке учителей химии и биологии в области информатики.
Графическим (визуальным) программированием называется программирование, предназначенное для написания программ для компьютера или вычислительного устройства, в котором вместо текстового описания алгоритма используется графическое описание. К графическому программированию можно отнести генерацию кода по блок-схемам. Графическому программированию посвятили свои исследования Е.А. Балыко, Д.М. Ксенофонтов, Н.Б. Куншина, В.Е. Махов, П.М. Михеев, РГ Насырова, Д.В. Погодин, А.И. Потапов, Ф.В. Потемкин, А.Г Самойлов, ГГ. Сергеев, И.А. Степаненко, Д.С. Шантырь и другие.
Виртуальными лабораториями называются программно-аппаратные комплексы, позволяющие проводить опыты без непосредственного контакта с реальной установкой или при полном отсутствии таковой. Среди авторов, посвятивших свои исследования виртуальным лабораториям, следует отметить Д.А. Бобылева, О.А. Великосельского, Е.А. Гаджиеву, К.С. Гамбург, СВ. Григорьеву, В.А. Зелепухину, П.Г Круга, СЕ. Лозовского, О.И. Ляша, А.В. Меженина, А.Э. Панфилова, П.А. Рахмана, Н.Г. Шилова. В то же время проблемы изучения технологии графического программирования с целью последующего создания и применения виртуальных лабораторий до сих пор не решены применительно к курсу информатики для будущих учителей химии и биологии.
Анализ методической системы обучения информатике будущих учителей химии и биологии свидетельствует о:
недостаточной подготовке педагогов к использованию информационных технологий и, в частности, виртуальных лабораторий в последующей профессиональной деятельности;
отсутствии методов обучения технологии графического программирования, предусматривающих подготовку педагогов к созданию и применению виртуальных лабораторий, соответствующих реальным экспериментам;
- необходимости поиска программных средств и технологий для создания виртуальных лабораторий, использование которых было бы возможно в качестве средств обучения.
Таким образом, имеет место противоречие между необходимостью формирования у будущих учителей химии и биологии в процессе обучения информатике знаний и умений в области создания виртуальных демонстраций химических и биологических экспериментов, с одной стороны, и, с другой стороны, отсутствием методической системы подготовки по информатике студентов химических и биологических специальностей педагогических вузов, предусматривающей обучение графическому программированию как технологии создания виртуальных лабораторий.
Приведенное выше противоречие позволяет сформулировать проблему исследования, заключающуюся в необходимости разработки методической системы обучения информатике для студентов - будущих учителей химии и биологии, способствующей приобретению знаний и умений в области графического программирования и создания наглядных виртуальных демонстраций, необходимых для последующей профессиональной деятельности.
Целью исследования является совершенствование методической системы обучения информатике студентов педагогических вузов, обучающихся по специальностям «учитель химии» и «учитель биологии», направленное на формирование знаний и умений в области создания наглядных виртуальных демонстраций химических и биологических экспериментов с использованием технологии графического программирования.
Объект исследования: система обучения информатике будущих учителей химии и биологии в педагогических вузах.
Предмет исследования: содержание, методы и средства обучения технологии графического программирования в рамках курса информатики для студентов педагогических вузов, обучающихся по специальностям «учитель химии» и «учитель биологии».
Гипотеза исследования: если система обучения информатике будет предусматривать знакомство с технологией графического программирования, то это будет способствовать формированию у будущих учителей химии и биологии готовности к созданию и использованию виртуальных лабораторий и наглядных виртуальных демонстраций химических и биологических экспериментов, что, в конечном итоге, будет влиять на повышение эффективности последующей профессиональной деятельности выпускников педагогических вузов.
Цель, объект, предмет и гипотеза исследования обусловили необходимость решения следующих задач:
1. Проанализировать специфику подготовки и выявить особенности
обучения информатике будущих учителей химии и биологии в
педагогическом вузе;
Определить возможности применения технологии графического программирования при создании виртуальных лабораторий по химии и биологии;
Определить цели и принципы подготовки по информатике будущих учителей химии и биологии;
Разработать содержание и методы обучения технологии графического программирования в курсе информатики для студентов химических и биологических специальностей педагогических вузов;
Выявить программные и технические средства, необходимые для обучения технологии графического программирования в курсе информатики;
Экспериментально проверить эффективность системы обучения информатике будущих учителей химии и биологии.
Для решения поставленных задач использовались следующие методы исследования: анализ педагогической литературы по химии, биологии, информатике; изучение литературы в области графического программирования; анализ вузовских стандартов, учебников и учебных пособий по курсу информатики будущих учителей химии и биологии; статей и докладов по тематике работы; изучение и обобщение педагогического опыта; анализ учебного процесса и учебно-познавательной деятельности; экспериментальный метод при апробации курса в учебном процессе.
Теоретике-методологической основой исследования являются научные труды:
в области философии и психолого-педагогической науки (Ю.К. Бабанского, В.П. Беспалько, Л.С. Выготского, П.Я. Гальперина, В.В. Давыдова, В.В. Краевского, А.Н. Леонтьева, И.Я. Лернера, М.Н. Скаткина, Н.Ф. Талызиной, Л.М. Фридмана, и др.);
в области информатизации образования (С.Г. Григорьева, В.В. Гриншкуна, Т.Ю. Ильиной, К.К. Колина, В.М. Монахова, СВ. Патоковой, И.В. Роберт, Н.В. Сафроновой, O.K. Филатова, И.А. Щербакова и др.);
методики обучения информатике (С.А. Бешенкова, Т.А. Бороненко, А.Р Есаяна, В.Е. Жужжалова, О.Ю. Заславской, Т.Б. Захаровой, А.А. Кузнецова, И.В. Левченко, А.Я. Фридланда);
в области обучения технологии графического программирования (В.В. Андреева, Е.Т. Володарского, А.Г. Калашникова, В.И. Королькова, А.В. Пеца, Ю.М. Туза, Г.Н Уварова, A.M. Умнова, Д.В. Чупрова, R. Baecker, А. Berztiss, М. Brown, R. Chandhok, С. Christensen, О. Clarisse, R. Grafton, Т. Ichikawa, E. Jungert, R. Korfhage, B. A. Myers, A. Sareen, R. Sedgewick, D. Smith, W. Sutherland, M. Zloof, и др.).
Научная новизна исследования состоит в следующем: 1. Обосновано, что графическое программирование является эффективной технологией для создания химических и биологических демонстраций и виртуальных лабораторий, значимых с точки зрения обучения химии и биологии;
Выявлено, что знакомство с технологией графического программирования при обучении информатике в сочетании с применением виртуальных лабораторий способствует эффективному формированию у педагогов готовности к использованию указанных средств в обучении школьников химии и биологии;
Определены принципы обучения технологии графического программирования в рамках курса информатики для студентов педагогических вузов, ориентированные на моделирование реальных химических и биологических экспериментов, значимых для профессиональной деятельности учителей химии и биологии. Теоретическая значимость исследования заключается в том, что
обоснована необходимость введения раздела «Технология графического программирования при создании виртуальных лабораторий» в содержание курса информатики для будущих учителей химии и биологии. Определены принципы подготовки по информатике будущих учителей химии и биологии, включающей обучение технологии графического программирования, в частности, принципа графического представления учебного материала при создании виртуальных лабораторий.
Практическая значимость исследования состоит в том, что отобраны учебные материалы по технологии графического программирования, необходимые будущим учителям химии и биологии, сформированы методы обучения технологии графического программирования для создания виртуальных лабораторий и реальных демонстраций по курсам химии и биологии, в частности, разработаны лабораторные работы по информатике по созданию наглядных демонстраций в среде Lab VIEW, отражающих изменение температуры растений в зависимости от комнатной температуры, зависимость скорости реакции окисления цинка от температуры, а также другие лабораторные работы.
Достоверность результатов исследования обеспечивается опорой на основные положения педагогики и психологии, апробацией материалов исследования в реальном учебном процессе по информатике в рамках подготовки будущих учителей химии и биологии в педагогическом вузе, итогами педагогического эксперимента.
Экспериментальной базой исследования являлась кафедра информатизации образования Института математики и информатики ГОУ ВПО г. Москвы «Московский городской педагогический университет». Экспериментальное обучение студентов проводилось с 2007 по 2011 годы в Институте естественных наук ГОУ ВПО г. Москвы «Московский городской педагогический университет». Исследование включало в себя три этапа.
На первом этапе (2007-2008 г.г.) было изучено теоретическое и практическое состояние проблемы обучения информатике студентов -будущих учителей химии и биологии, исследованы различные теории обучения путем анализа учебной, философской, психолого-педагогической, методической и специальной литературы, периодических изданий и статей
по тематике исследования; выявлены возможные подходы к обучению технологии графического программирования в курсе информатики.
На втором этапе (2008-2009 г.г.), исходя из проделанной работы, были определены цели, задачи, основные методы, объект, предмет исследования, сформулирована гипотеза исследования, выявлены основные компоненты экспериментальной технологии. На этом же этапе подготовлены дидактические и методические материалы и проведена их апробация, структурирован учебный материал, разработано содержание раздела курса информатики «Технология графического программирования при создании виртуальных лабораторий».
На третьем этапе (2009-2011 г.г.) проводились экспериментальное обучение по разработанной методике с целью выявления ее эффективности; обработка полученных данных на основе математической статистики; анализ, систематизация, обобщение, содержательная интерпретация и оформление диссертационного исследования.
На защиту выносятся следующие положения:
1. Внедрение раздела, посвященного технологии графического
программирования, в курс информатики для будущих учителей химии и
биологии способствует формированию у будущих педагогов готовности к
использованию наглядного моделирования химических и биологических
экспериментов в виртуальных лабораториях для более качественного
обучения школьников химии и биологии;
2. Учет принципа графического представления учебного материала при
создании виртуальных лабораторий, а также других выявленных принципов
при обучении технологии графического программирования способствует
повышению интереса студентов к изучению информатики и, как следствие,
способствует формированию у учителей потребности к применению
информационных и телекоммуникационных технологий в педагогической
деятельности;
3. Использование программной оболочки графического
программирования LabVIEW в рамках реализации предложенной
методической системы способствует эффективному обучению студентов
информатике и влечет за собой развитие у будущих педагогов
профессиональных качеств, значимых для визуализации химико-
биологических экспериментов.
Апробация и внедрение результатов диссертационного исследования. Основные результаты исследования апробированы на XVI, XVIII и XIX Международных научных конференциях «Информационные технологии в образовании (ИТО)» (Москва, 2006, 2008, 2009), на Международной конференции «Информационные технологии в образовании, технике и медицине» (Волгоград, 2009), Первой международной конференции «Образование в сфере нанотехнологий: современные подходы и перспективы» (Москва, 2010), научных семинарах и заседаниях кафедры информатизации образования Института математики и информатики ГОУ
ВПО г. Москвы «Московский городской педагогический университет» (2007-2011).
Результаты диссертационного исследования внедрены в процесс подготовки студентов - будущих учителей химии и биологии в ГОУ ВПО г. Москвы «Московский городской педагогический университет».
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 9 печатных работах, в том числе в 3 работах и изданиях, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, двух глав, заключения, списка литературы и приложений.
Виртуальные лаборатории и возможности их использования в образовании
Из материала предыдущего параграфа видно, что в настоящее время уделяется большое внимание разработке и использованию в учебном процессе электронных образовательных ресурсов. Будущему учителю химии или биологии предоставляется широкий выбор обучающих программ, электронных энциклопедий и справочников и т.п. Особое значение при разработке ЭОР уделяется мультимедиа, которые в значительной степени способствуют повышению наглядности ресурсов и эффективности их использования в учебном процессе информатики будущих учителей химии и биологии. ЭОР с высокой степенью интерактивности, реализующие полноценный режим общения обучающегося с компьютером, способствуют развитию интереса к освоению нового материала и формированию познавательной и творческой активности.
Очевидно, что создание мультимедийных интерактивных образовательных ресурсов при обучении информатике будущих учителей химии и биологии требует больших временных и финансовых затрат. Примером использования таких ресурсов в учебном процессе могут служить виртуальные лаборатории, позволяющие моделировать объекты и процессы окружающего мира, а также организовывать компьютерный доступ к реальному лабораторному оборудованию. Их использование при обучении информатике особенно актуально при преподавании таких дисциплин, как математика, физика, химия, биология. Использование виртуальных лабораторий в учебном процессе позволяет, с одной стороны, предоставить возможность обучающемуся провести эксперименты с оборудованием и материалом, отсутствующим в реальной учебной аудитории по информатике, получить практические навыки проведения автоматизированных экспериментов, ознакомиться с концепцией виртуального прибора, более детально изучить компьютерные модели уникального дорогостоящего оборудования. С другой стороны, приобретенные знания по информатике и по применению ЭОР на практике, позволят будущим педагогам - химикам и биологам организовать подключение к компьютеру и функционирование лабораторного оборудования и приборов в рамках виртуальной лаборатории, способствуя тем самым переводу традиционной биологической или химической лаборатории на новый уровень педагогических технологий, соответствующей сегодняшним требованиям инновационного развития науки и техники.
Вопросам изучения и внедрения виртуальных лабораторий и приборов было посвящено значительное количество работ. Это неудивительно, поскольку в последнем десятилетии в отечественном образовании наблюдается бурный рост и развитие дидактических подходов и методов, связанных с парадигмой информационных технологий, в том числе при обучении будущих учителей химии и биологии в педагогическом вузе.
Среди работ, посвященных применению виртуальных лабораторий, отметим следующих авторов: П.Г. Круг, СЕ. Лозовский, О.А. Великосельский, П.А. Рахман, Н.Г. Шилов, А.Э. Панфилов, А.В. Меженин, СВ. Григорьева [28], О.И. Ляш, В. А. Зелепухина, Д.А. Бобылёв, Е.А. Гаджиева, К.С Гамбург [20]. Типовая схема виртуальной лаборатории по К.С Гамбург [20] представлена на рис. 1.
Схема виртуальной стендовой лаборатории, созданной в работе К.С. Гамбург В работе [28] отмечается, что традиционная технология организации и проведения лабораторного практикума по дисциплинам общенаучного и общетехнического циклов при заочной форме обучения предполагала проведение лабораторных работ только во время пребывания слушателей в стенах учебного заведения в течение лабораторно-экзаменационной сессии, что существенно увеличивало ее продолжительность. С точки зрения оптимизации процесса обучения информатики подобная технология представляется далеко не самой удачной, так как слушатели выполняют значительное количество лабораторных работ по различным учебным дисциплинам в ограниченный отрезок времени. Как показывает анализ плана обучения, на различных курсах, в течение 10-15 дней слушатели должны выполнить от 20 до 30 лабораторных работ, что в сочетании с написанием 4-5 письменных контрольно-проверочных работ и защитой 3-4 курсовых работ и проектов создает непосильную нагрузку на студентов, в частности, будущих учителей естественнонаучных дисциплин. В таких условиях преподавателям не всегда удается добиться от студентов соответствующей подготовки к проведению лабораторных работ, что, в свою очередь, сказывается на качестве подготовки. В связи с этим было отмечено, что условиями успешного решения накопившихся противоречий, связанных с организацией и проведением лабораторного практикума по информатике в рамках традиционной формы заочного обучения и получения необходимого опыта и для перехода от заочной формы обучения к дистанционной является необходимым решение следующих задач: - нахождение путей и методов интенсификации лабораторных занятии по информатике за счет более качественной подготовки слушателей путем внедрения в педагогическую практику индивидуальных комплексных заданий, содержащих как расчетные, так и экспериментальные компоненты, - разработка вариантов методической поддержки использования материально-технической базы комплектующих органов для самостоятельного выполнения слушателями индивидуальных экспериментальных заданий по информатике во внеаудиторный период обучения, - разработка оптимальной структуры и программная реализация программно-компьютерных комплексов, а также необходимой методической поддержки, позволяющих студентам выполнять лабораторные работы по информатике самостоятельно во внеаудиторный период обучения.
Применение технологии графического программирования Lab VIEW в обучении информатике студентов педагогических специальностей вузов
Одной из основных составляющих таких дисциплин как химия или биология являются лабораторные работы, в которых предусмотрено изучение лабораторного оборудования, их соответствия задачам профильного обучения, ознакомление и освоение механики и научных закономерностей протекающих процессов, а также установка режимных характеристик эксперимента и стимулирование активности обучающихся на самостоятельное обдуманное вмешательство на ход проведения эксперимента. Автоматизированные лабораторные практикумы (АЛП) могут проводиться как на базе реального оборудования, так и имитационных математических моделей, с которыми необходимо заранее ознакомиться и освоить в рамках изучения информатики. Как было показано в предыдущем параграфе, удобным средством разработки АЛП является среда графического программирования Lab VIEW. Среда программирования Lab VIEW основана на технологии графического программирования виртуальных лабораторий, измерительных систем и систем ввода/вывода данных (сигналов) и позволяет создавать приложения для сбора, обработки и визуального представления измеряемых и рассчитываемых величин. Она может использоваться при создании электронных мультимедийных средств обучения, как средство разработки виртуальных АЛП, а также АЛП на базе реального лабораторного и промышленного оборудования. Программные приложения и виртуальные лаборатории, создаваемые в LabVIEW, носят название виртуальных инструментов (ВИ). Следует отметить, что речь идет не только об имитации реальных приборов, но и о моделировании. Имеющиеся в LabVIEW программы управления реальными приборами (драйверы) дают возможность формировать и измерять реальные сигналы.
Для определения места графического программирования в системе подготовки будущих учителей химии и биологии по курсу «Информатика» проанализируем государственный образовательный стандарт Высшего профессионального образования по специальности 032400 (Биология, учитель биологии) и 032300 (Химия, учитель химии) с учетом возможностей использования графического программирования в образовании, изложенного ранее (см. табл. 3).
Для полноты анализа рассмотрим также дидактику межпредметных связей с учетом обеспечения целостности системы высшего образования на основе общности архитектуры обучения и методов научного познания изучаемых предметов. Естественно, при этом необходимо в полной мере осознать сложный и многогранный характер взаимопроникновения научных дисциплин. Взаимокорреляционные познавательные связи изучаемых предметов создают предпосылки и потенциальные возможности получения качественно новых результатов в обучении информатике. При этом возникает потребность в целенаправленной взаимообогащающей оптимизации процесса овладевания новыми понятиями, теориями, научными закономерностями. Разумная общность методологий и дидактических подходов при формулировке теоретических основ, а также научных гипотез и новых идей при изучении различных предметов и путей их реализации должна оптимальным образом способствовать процессу обучения и, что важно, не перегружая учащихся избыточной информацией. В методике преподавания межпредметным связям обычно отводится роль инструмента, обеспечивающего взаимную согласованность учебных программ и систематической работы преподавателя, при которой в процессе овладения новыми знаниями используется содержание смежных дисциплин с целью более прочного усвоения программного материала.
Как было отмечено выше, графическое программирование обладает значительным потенциалом при создании виртуальных лабораторий в курсе обучения информатике будущих учителей химии и биологии.
Таким образом, существуют предпосылки применения среды Lab VIEW при формировании обучающей программы информатики студентов-педагогов химико-биологических специальностей. Еще раз отметим, использование LabVIEW при обучении информатике за рубежом, например, в США, на сегодняшний день является уже устоявшейся практикой [142]. Подтверждением тому - огромное количество примеров применения графического программирования на практике (в лабораториях и на предприятиях). В тоже время, в отечественной педагогической науке графическое программирование все более и более становится темой публикаций многочисленных работ. В настоящее время издано значительное количество научных работ, посвященных вопросам дидактики технологии графического программирования Lab VIEW, ориентированных в основном на студентов технических специальностей, физиков, технологов. Отдельно стоит отметить следующих авторов: А.В. Пец [85], В.В Андреев, А.Г. Калашников, В.И. Корольков, A.M. Умнов, Д.В. Чупров [2], Г.Н Уваров [130], Ю.М. Туз, Е.Т. Володарский, Д.С. Шантырь [128], П.М. Михеев [73], А.Г. Самойлов [106], Г.Г.Сергеев [109], Д.В.Погодин, Р.Г.Насырова, Н.Б.Куншина [89], В.Е. Махов, А.И. Потапов [68], Е.А. Балыко, Д.М. Ксенофонтов, П.М. Михеев, Ф.В. Потёмкин, И.А. Степаненко [7].
Среди зарубежных авторов, многие, из которых рассматривают вопросы обучения информатике (computer science) студентов - будущих преподавателей химии и биологии, отметим: Рашид Мансеур[182], Марк Муйскенс, Самуел Гласе, Томас Вистема, Терри Грей [187], Ли Ченгвейл, Занг Лимей, Ху Ксяоминг [177], ду Прииз, Синха, Хаттон [201], Умеш Раждашекар, Джордж Панайи, Франк Баумгартнер, Алан Бовик [203], Энтони Венто [220], Джейн Фалкон, Майк Тримборн [163], Том Саву [205], Хинг Хаеджун, Хиая Пинг, Янг Шенг, Лиу Пинг[223], Бред Гринстед, М.Е. Партен [169], Ренди Трумбоуер, Джон Эндерле [219] и другие.
Разработка содержания и методов обучения информатике будущих учителей химии и биологии, основанных на использовании технологии графического программирования
В предыдущей главе был проведен анализ результатов педагогических исследований/ из которого следует вывод о необходимости создания специализированной методической системы обучения информатике студентов - будущих педагогов естественнонаучных дисциплин. Концепция методической системы обучения предполагает, что это отлаженный комплексный многопараметрический процесс, характеризуемый разнообразием своих структурных составляющих с внутренними взаимоотношениями и логическими связями. В тоже время, такая система должна быть внутренне упорядоченной и, в известной мере, организованной, поскольку строится под конкретные цели обучения, подразумевая решение конкретных задач подготовки квалифицированных преподавателей химии и биологии. [3]. Чтобы всесторонне познать логику такой системы, необходимо, прежде всего, изучить ее внутреннее строение, установить иерархию составляющих ее компонент, оценить их дидактический потенциал с учетом функциональных особенностей отдельных факторов, обеспечивающие целостность и самостоятельность всей системы обучения [58]. Рассмотрение учебного процесса как взаимосвязанной системы позволяет адекватно оценить ее с позиций изменяющихся во времени целей и задач высшего педагогического образования, учесть динамику возникновения новых требований, влияющих на ее содержание, технику и методы обучения информатике будущих учителей химии и биологии, сочетающую как классические традиционные средства и методы, так и инновационные подходы, отвечающие современным требованиям информационного общества [3]. Подготовка жизненно активных членов общества с высокой профессиональной подготовкой, хорошо воспитанных, уверенно ориентирующихся в информационных потоках и владеющих передовыми информационными технологиями - основные общие цели подготовки современных педагогических кадров. С социальной точки зрения целенаправленное научно обоснованное изучение информатики с грамотно построенной логикой образовательного процесса имеет определяющее воздействие на формирование творческого, интеллектуального, профессионального потенциала каждого члена общества, обусловленное требованием наиболее полного и рационального раскрытия и развития интеллектуальных задатков каждого индивидуума, в том числе и в его взаимоотношениях с социумом. С психолого-педагогической точки зрения при обучении информатике, в частности, методам графического программирования, в определенной мере доминантной становится индивидуализация обучения, основанная на дифференцированном подходе, направленном на создание наиболее оптимальных условий выявления скрытых или недостаточно раскрытых способностей каждого студента. С дидактической точки зрения цель обучения информатике можно осознать из требований решения проблем педагогических вузов путем создания новых методических систем, основанных на новой мотивационной основе обучения информационно-коммуникационным продуктам с высоким потенциалом решения прикладных задач педагогики.
Для понимания и достижения психолого-педагогических целей обучения и систематизации собственно процесса обучения и повышения эффективности образовательного процесса, нацеленного на подготовку специалистов с мышлением и профессиональным уровнем, отвечающим требованиям современного информационного общества, необходимо рассматривать формирование и развитие научных основ процесса обучения в динамике дидактического взаимодействия преподавателя и учащегося. При этом необходимо учитывать фактор самостоятельного обучения, что особенно актуально именно при обучении информатике.
Необходимо выделить следующие приоритетные цели обучения информатике будущих педагогов химии и биологии: - ознакомить с технологией графического программирования, которая затем может быть перенесена в педагогическую практику в школе; - изучить различные подходы по созданию виртуальных лабораторий, в том числе использующих технологию графического программирования; - научить создавать виртуальные лаборатории с использованием технологии графического программирования; - научить выбирать оптимальный метод построения виртуальных лабораторий, визуализирующих химико-биологические процессы, а также определить границы их применения; - научить выделять положительные и отрицательные подходы в процессе создания виртуальных лабораторий; - вырабатывать готовые решения виртуальных визуализированных демонстраций; - разрабатывать различные подходы к созданию виртуальных лабораторий, предполагающих использование технологии графического программирования; - сформулировать систему профессиональных навыков и умений создавать виртуальные лаборатории с использованием технологии графического программирования; - вовлечь студентов в деятельность по применению технологии графического программирования в совершенствовании существующих визуализированных демонстраций в школе; - создать у обучающихся мотивацию для внедрения технологии графического программирования при создании виртуальных лабораторий в деятельность учителя химии и биологии. Естественно, как и при систематизированном организованном обучении, так и при самостоятельном стихийном приобщении к компьютеру имеет место ознакомление с самыми различными электронными моделями, программами и т.д. В связи с этим разработка новых технологий образовательного назначения, их экспертиза, средства и методы их применения в сфере образования должны отвечать требованиям научности образовательного процесса. Естественно, в каждом конкретном учебном процессе цели и задачи обучения определяются, в первую очередь, требованиями учебной программы. Но не менее важно хорошо представлять и знать положительные стороны и недостатки уже имеющегося уровня подготовки, специфику культурных ценностей конкретного контингента учащихся, обусловленную самыми различными факторами, например, традициями данного педагогического университета.
В настоящее время одним из ключевых направлений инновационного развития подготовки педагогических кадров естественнонаучного направления отводится прикладным программам в системе обучения информатике. На основе обобщения психолого-педагогических и методических исследований была проанализирована концепция обучения информатике будущих учителей химии и биологии на основе применения технологии графического программирования.
Проверка эффективности использования графического программирования при обучении информатике будущих учителей химии и биологии
Рассмотренные в предыдущей главе психолого-педагогические подходы при обучении информатике виртуальным лабораториям по химии и биологии, а также обусловленные ими педагогические технологии, в той или иной мере представлены в педагогических вузах, в том числе с применением технологии графического программирования.
Подготовка будущих учителей химии и биологии по информатике в педагогических вузах представляет собой комплексный многогранный процесс, в основе которого лежит совокупность общеобразовательных, общепедагогических и специализированных профильных дисциплин, учитывающих и опирающихся на межпредметные связи. В частности об этом упоминалось в первой главе настоящей работы. Содержание и методика обучения информатике будущих учителей естественнонаучных дисциплин постоянно совершенствуется [29]. Большую роль играют нововведения, осуществляемые в отечественной системе образования. В частности, в настоящее время дисциплины, связанные с методикой обучения информатике будущих учителей химии и биологии не могут не содержать материалы наглядных демонстраций, визуализирующие химические и биологические процессы, происходящие в лабораториях.
Содержание и качественный состав дисциплины находится в постоянном развитии. Однако, как показано в первой главе, система общеобразовательной подготовки будущих учителей химии и биологии по информатике содержит блоки и линии недостаточно эффективные с точки зрения современных инновационных методов и средств обучения и подготовки.
В связи с этим подробнее рассмотрим перечень разделов образовательного стандарта по информатике, в ходе изучения которых студенты знакомятся с понятием информации, общей характеристикой процессов сбора, передачи, обработки и накопления информации; техническими и программными средствами реализации информационных процессов, моделями решения функциональных и вычислительных задач, алгоритмами и компьютерным практикумом.
Главным образом содержательная составляющая этих разделов недостаточно быстро успевает совершенствоваться в ритме постоянного развития информационных технологий, появлением новых аппаратных и программных средств, разработкой новых информационных ресурсов. Естественно, при этом сказывается также незавершенность исследований по поиску фундаментальных инвариантов, изучение которых позволило бы абстрагироваться от конкретных информационных технологий и ресурсов. Как правило, появление новых технологий незамедлительно влечет за собой не только корректировку содержания существующих дисциплин, но и появление новых учебных предметов. Одним из самых ярких примеров этому служит появление технологий мультимедиа, телекоммуникационных сетей и сети Интернет, существенно расширивших учебные планы подготовки педагогов-химиков и педагогов-биологов по информатике.
Важно отметить, что система подготовки по информатике студентов -будущих учителей химии и биологии обязана отражать и, более того, опережать непрерывное развитие содержания дисциплин по профильному курсу химии и биологии в общеобразовательной школе.
Педагог, вне зависимости от особенностей преподаваемой дисциплины, всегда должен быть подготовлен на высшем уровне, если речь идет о знаниях и умениях обучаемых, а также по отношению к содержанию обучения. Не секрет, что чем больше знает и умеет учитель, чем дальше его знания простираются за рамки стандартных учебных программ и знаний, имеющихся у школьников, тем большим авторитетом пользуется педагог у обучаемых и коллег, тем легче ему организовать эффективную подготовку будущих специалистов.
Обучение информатике педагогов химико-биологических специальностей графическому программированию и, в частности, виртуальным лабораториям, используя технологию графического программирования оболочки LabVDEW, может внести существенный вклад в формирование у будущих учителей химии и биологии требуемого навыка по визуализации лабораторных экспериментов. Важно отметить, что обучение визуализированным моделям, иллюстрирующим протекание различных химико-биологических процессов уже приобретает тенденцию на закрепление за собой одно из основных мест в системе подготовки по информатике будущих учителей химии и биологии [34]. Вместе с тем, большинство будущих учителей химии и биологии после окончания обучения едва ли смогут в своей педагогической практике создавать наглядные компьютерные демонстрации по химическим и биологическим процессам в школьном классе.
Учитывая вышесказанное, предлагается включить в существующую программу по информатике студентов химико-биологического профиля раздел «Технология графического программирования при создании виртуальных лабораторий», разработанный и апробированный в ходе исследований по поиску инновационных подходов для подготовки будущих учителей химии и биологии в Институте естественных наук Московского городского педагогического университета. Следует отметить, что рассматриваемый раздел курса информатики может быть заменен аналогичным специальным курсом. В содержание этого раздела включается знакомство с элементами языка графического программирования, принципами работы виртуальной лаборатории, подходами к созданию наглядных виртуальных инструментов, демонстрирующих различные химические и биологические процессы.
Несомненно, возникают вопросы, касающиеся целесообразности такого обучения. В первую очередь, подобные сомнения мотивируются тезисом о нецелесообразности превращения учителей химии и биологии в программистов. Безусловно, ни о каком подобном превращении речь не идет и не может идти. Учитель должен оставаться учителем. Кроме того, курс продолжительностью от 22 до 24 учебных часов не решит вопроса полной подготовки специалистов в области графического программирования. Очевидно, что в случае обучения будущих педагогов такая подготовка вовсе и не требуется.
